相干是量子系统的一个重要特性,是实现量子控制的重要资源。量子相干控制已广泛应用于量子信息、量子计算、量子化学、激光冷却和纳米技术等诸多领域并取得了一系列成果。实现量子系统的精细控制一直是量子操控的一个重要目标。量子路径表征量子体系演化的中间过程,控制量子系统沿指定路径演化具有重要的科学意义和应用前景。本论文主要针对多光子跃迁的动力学过程,研究其量子路径的时空操控。具体研究内容如下:(1)研究了四能级量子系统中路径动力学的量子相干控制,提出了最大化总双光子跃迁幅度的脉冲整形策略。通过合适的变量转换精确地考虑了非共振项,提出了全局最优方案。相对于非整形脉冲,此方案能增强双光子跃迁幅度近70倍。同时给出了四种简单直观的整形策略,可以控制一条跃迁路径占主导,同时抑制另外一条跃迁路径。结果表明这些脉冲整形策略可以对路径动力学进行有效地控制:占主导的路径幅度与被抑制的路径幅度之间相差达到3个数量级。(2)将最大化总双光子跃迁幅度的脉冲整形策略推广到了多路径的量子系统。通过系统分析了分块整形策略的数学思想,给出了理想谱分辨情况下和有限谱分辨率情况下的最优化步骤。对跃迁特征频率均大于双光子中心频率的特殊系统,我们在详细分析的基础上,给出了具体的脉冲整形策略。将我们的脉冲整形策略直接应用于包含三条双光子跃迁路径的系统。数值模拟结果表明,对比非整形脉冲,双光子跃迁幅度增强了近2个数量级。(3)基于相向传播的超快脉冲对的模型,研究了双光子跃迁路径的空间相干控制。对于简单的三能级量子系统,除了常用的V型脉冲整形方案,我们还提出了一种新的方波相位整形方案,并详细地讨论了其中三个重要控制参数的选取。发现低通滤波处理可以消除高频单边信号,从而获得更加清晰的空间激发图样。在此基础上,针对包含两条量子路径的四能级系统,我们和韩国实验组合作,设计了三种路径空间区分脉冲整形方案,即方波相位整形空间区分方案、线性相位整形空间区分方案和混合相位整形空间区分方案,实现了在空间上区分两条量子路径。