离子具有相干时间长、保真度高等优点,因此囚禁离子系统是实现量子计算、量子模拟以及精密测量的重要平台之一。囚禁离子系统的规模化与集成化是近年来研究的热点。表面电极离子阱是解决这一问题的主要平台之一,但其研究还处于探索阶段。本文主要研究了表面电极离子阱的优化设计、离子阱的制备及囚禁离子系统的优化。主要内容与创新点如下:1、设计了具有装载区、操作区与传输区的多功能表面电极离子阱。提出了径向双势阱来作为操作区,可实现囚禁离子运动主轴旋转和量子比特扩展,有效地降低了激光有效冷却离子的难度。独立的装载区可减少装载离子过程中对操作区的污染。为了实现装载区与操作区之间的输运,提出了V型结连接电极,并利用多目标函数与蚁群算法对其进行了优化。设计了多功能表面电极离子阱,在研究量子比特扩展和基于离子的spin-spin相互作用以及离子间的协同冷却,具备很大的应用前景。2、提出了一种制备截面为倒梯形结构的厚膜表面电极离子阱方法。在湿法刻蚀过程,灵活利用原电池效应延长电极间隙长度,有效地将电极间击穿电压由350V提升为到1000V以上。与多层电极离子阱相比,不仅大大简化了制备过程,同时也减少了制备过程中的污染,提高了表面电极离子阱芯片的质量。3、成功抑制了表面电极离子阱的异常加热,延长了囚禁离子的寿命。其中,通过降低电极表面粗糙度来减小对离子的加热率,使离子囚禁寿命延长了5倍数;用等离子体清洗表面电极离子阱。使离子的囚禁寿命延长3倍,测得离子的加热率为0.75（?）/ms。另外,还提出了一种便捷、实时监测阱电极表面污染程度的方法,给出了阱表面污染过程的物理图像,为表征阱表面污染程度和清洗效果提供了一种直接有效的途径。4、实现了离子的分离、合并与输运。通过反向求解电极电压与反馈控制相结合,抑制杂散电场,实现了在非简谐阱中等间距离子串的囚禁和离子晶体的结构相变。此外,采用双束激光脉冲扫描共振跃迁谱,获得了更高精度的离子中心共振频率,提高了表面电极离子阱的测试精度,实现了离子阱实验系统的有效优化。