处于高激发态的里德堡原子具有一些独特的原子属性，例如较长的辐射寿命和较大的电偶极矩等。这些普通原子所不具备的特性是实现很多量子信息处理任务的有效资源。例如，对里德堡原子之间的长程偶极相互作用进行光学控制可执行量子门操作和制备量子纠缠态。特别地，偶极相互作用能引起一种里德堡激发的阻塞效应：在一个微米尺度的介观区域内，最多只有一个原子能被激发到一个主量子数很大的里德堡态上。实际上，偶极阻塞效应是很多新近提出量子操控方案的物理基础，包括原子纠缠的相干制备、单光子源的可靠产生、多体系统的量子模拟等。本论文的主要工作是：利用基于电磁感应透明现象和受激拉曼绝热过程的量子光学技术来操控超冷里德堡原子的激发行为，并借助显著的偶极阻塞和反阻塞效应实现多原子纠缠和光子关联的相干产生和量子控制。在第三章中，我们在单光子大失谐、双光子共振跃迁主导的参数机制下研究五能级Λ型原子系统的稳态光学响应。我们发现，两个弱场的同步吸收可以充分地压缩在一个较窄的光谱区域内产生电磁感应透明现象。本质上，双光子电磁感应透明是由不同双光子跃迁路径间的相消干涉形成的。为了更透彻地认识其物理实质，我们将双光子跃迁占主导地位的五能级Λ型系统绝热地约化为只有双光子跃迁的简单三能级Λ型系统。相应地，原来的哈密顿变为三能级约化系统的有效哈密顿。与典型的单光子电磁感应透明相比，双光子电磁感应透明光谱除了在细节上与其有差异外，整体轮廓基本类似。这意味着，在双光子主导的前提下，绝热消除单光子跃迁的同时会充分保留双光子相消干涉的性质。此外，当考虑高主量子数里德堡能级时，数值结果表明双光子电磁感应光谱对超冷里德堡原子间强烈的偶极-偶极相互作用不敏感。在第四章中，我们研究探测光通过相互作用超冷87Rb原子样品的透射强度和光子关联性质。在倒Y型原子的透射谱中可以找到两个电磁感应透明窗口，一个对探测场强度敏感，另一个则不受探测场强度影响。这意味着前者伴随着正常合作光学非线性效应，而后者是线性光学响应的结果。另外，我们发现非线性效应导致透明窗口内双光子关联被强烈地压缩，而在线性与非线性透明窗口之间的双光子关联则大大增强。在两个透明窗口简并的情况下，可以看到非线性窗口隐藏在线性窗口后面，透明窗口凸显的是线性光学响应。鉴于此，我们可以灵活地操控量子光场的传播和演化。在第五章中，我们研究探测场通过N型超冷里德堡原子样品的透射性质。由于里德堡激发的条件偶极阻塞效应，原子样品在电磁感应透明光谱上会表现出合作光学非线性效应，主要表现为探测透射强度和光子关联依赖于输入探测强度和输入光子关联。有趣的是，对应于不同探测失谐的两个透明窗口存在着两种行为相反（正常和反常）的非线性响应，这种显著的特点是四能级N型原子系统所特有的。正常（反常）合作光学非线性的特点是：随着探测强度和关联的增强，探测透射率和关联会减弱（增强）。由此可见，利用一种原子样品可以同时实现两种不同的非线性电磁感应透明，我们可以将其广泛应用到弱光信号的光子统计操控上，例如，在动力学的量子延迟和存储过程中获得聚束或者反聚束光子。在第六章中，我们研究稀薄的超冷原子样品中原子从基态到里德堡态有效激发的动力学性质。由于样品很稀薄，以至于每个微球内只包含有两个原子，因此原子样品可以近似地看作是由微球组成的。通过范德瓦尔斯势描述的偶极-偶极相互作用，微球内的一对原子会产生量子关联。数值结果表明，利用标准的受激拉曼绝热技术（斯托克斯场先于泵浦场作用形成反直觉时序），通过调制泵浦场和斯托克斯场的失谐，驱动稀薄原子样品进入偶极阻塞机制或者反阻塞机制。在偶极阻塞机制下，每个微球中仅有一个原子被相干激发到里德堡态，结果产生一种最大的原子纠缠态。而在反阻塞机制下，由于微球中的两个原子都被相干激发到里德堡能级上，所以激发过程中并不存在量子纠缠行为。但是当系统介于严格偶极阻塞和反阻塞机制之间时，演化的结果是产生另一种最大的原子纠缠态。值得注意的是，在范德瓦尔斯势不为零的情况下，系统准暗态的存在是实现两个原子同步激发到里德堡态的关键。综上，我们首先研究了弱场近似下的双光子电磁感应透明稳态光谱，发现它对里德堡原子之间的偶极相互作用并不敏感，其主要原因是弱场近似下的里德堡激发概率太低。然后，我们研究了里德堡原子中偶极阻塞效应导致的正常和反常合作光学非线性，发现在原子密度较大或探测光不太弱的情况下，电磁感应透明稳态光谱对探测光的输入特性非常敏感，这表明原子之间的长程偶极相互作用可以反映为光子之间的统计和关联性质。最后，我们利用受激拉曼绝热过程研究了里德堡原子的动力学激发性质，发现简单控制激光参数即可实现偶极阻塞或反阻塞效应，并以此为基础制备出不同的最大原子纠缠态。