单原子阵列作为高度可控的量子比特载体,能为量子相互作用的研究提供优良的物理平台,它的研究进展对于中性原子量子计算机的研制具有积极的推动作用。本论文以可独立寻址单原子阵列的集成化为目标,开展了单原子阵列芯片设计、原子芯片U型磁光阱、高分辨率物镜设计、单原子阵列囚禁与探测等相关的理论和实验研究,论文的主要工作和创新点如下:1.单原子阵列囚禁的方案设计。针对现有的利用激光驻波场和衍射场囚禁单原子阵列在寻址和装置稳定性方面的缺点,我们将光波导芯片和原子芯片相结合,设计了一套新型的可独立寻址单原子阵列囚禁的集成化实验方案,并对方案中的具体参数进行了优化,对加工后的器件进行了详细测试。在此设计之上,我们还进一步提出了包括独立寻址里德堡激发和基于微波态选择势的受控碰撞两种可行的量子操控方案。2.原子芯片U型磁光阱的实验实现。我们结合原子芯片顶部U型载流导线和偏置磁场来产生MOT四极磁场,搭建超高真空系统、激光稳频移频光路和控制系统实现了原子数为10⁷量级的⁸⁷Rb原子磁光阱囚禁,并通过优化四极磁场的分布将原子数提升了一倍。3.高分辨率成像物镜的设计。根据实验系统的需求,我们采用商用单透镜作为组成元素设计了一个用于冷原子实验的高分辨率成像物镜,物镜的数值孔径为0.44,工作距离可达35.9 mm,而且对于其他碱金属元素的激发波长和其他玻璃窗口厚度都具有很好的适用性。我们对物镜进行了光学测试和像差分析,并利用它成功地实现了对单个⁸⁷Rb原子的囚禁与探测。4.单原子阵列的囚禁与探测。我们提出了一套新的基于多芯光纤的单原子阵列囚禁方案,分析了该方案在寻址、指向噪声抑制及原子操控方面的优势,并根据方案设计并加工了消色差聚焦物镜和7芯多芯光纤,物镜在780 nm和830 nm的色差仅为1.4μm,多芯光纤的纤芯距为40μm,最后,通过搭建新的真空系统和光路实现了间距约为11μm的⁸⁷Rb单原子阵列的囚禁与探测。