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近年来，随着光刻等实验技术的发展，人们已经能够实现在纳米尺度，乃至单粒子水平的量子态操纵，如单原子，单光子。单量子层面的操纵对实现量子计算机和量子信息处理具有非常重要的意义，因此而成为量子物理近些年重要的研究方向。光子是量子信息传输的首选载体，控制和操纵单光子要求人们设计制造出单光子水平的量子相干元器件，用来搭建完全相干的量子网络，实现量子信息传递。要完成用光子传递量子信息，要求人们能产生单光子，存储和完美释放单光子量子态，操纵单光子量子态。这一系列的过程，都需要外部媒介与光子发生相互作用。这个外部媒介通常由原子或人工原子组成。原子能够吸收光子，辐射光子，一定条件下还能诱导光子间的相互作用，用于实现光子控制光子的全光量子器件，如单光子开关，单光子晶体管，光子路由等。原子既能作为光子源，产生光子，也能作为存储器，存储光子，还能做为控制器，控制光子的相干传输。这些功能的实现是量子网络实现的必须要求。但是，确定性的单光子产生在实现上确非常困难。通常都伴随着多光子的产生。另外，即使原子作为存储器，存储光子，也要求存储时间足够长，以完成相应的量子态操作，并且能完美释放存储的光子。但是，现实中原子自身有自发辐射，周围环境诱导的退相干，这都为光子存储带来困难。要实现以上各种功能，都离不开光子与原子的相互作用。光子与原子之间的相互作用，能够展示出丰富的量子效应。研究并利用好这些量子效应，能为实现以上各种功能铺平道路。对于多个原子，当光子受限于腔中，原子间距小于光子波长时，光子会诱导原子间的关联集体激发。一个自然的问题是，这些集体激发具有什么性质？它们的统计性如何？因此，我们研究原子系综的集体激发的统计性质，为量子态的操纵提供借鉴。同时，我们也研究了原子与光子间的相干调控问题。另外，光子在传输量子信息的同时，还传递着能量，故有必要研究能量传递的效率如何，以及伴随的量子信息情况，如量子纠缠。一方面为理解自然界光合作用高效相干传能物理机制提供帮助，另一方面，为设计新能源仿生器件（如太阳能电站）提供指导。
围绕着受限光子诱导原子系综的集体激发以及原子与光子的相干调控，我们将本论文分为六章。在第一章里，我们简要介绍了量子信息和量子计算机的发展，以及量子网络相关背景知识。作为以上目标的物理实现，我们进一步具体介绍了光子诱导的原子系综集体激发的非线性效应，还介绍了能量相干传输的研究背景。在第二章中，我们详细研究了受限于腔中光子诱导原子系综集体激发的统计性质。在本文的第三章里，我们提出用有Rydberg直接耦合的两原子来控制双光子的传输，调节光子的统计性质，提出了全新的产生单光子的机制。在第四章里，我们研究了单光子在与二能级原子耦合的一维波导里传输中，波导的横向尺寸效应，给出了波导横向临界尺寸，即波导横向尺寸大于临界尺寸时，横向效应必须考虑在光子传输中。在本文的第五章中，我们研究了用两个有偶极-偶极相互作用的二能级原子模拟量子网络中能量传输的基本单元:给体和受体。主要研究给体和受体特征频率和环境温度对能量传输效率的影响，以及伴随能量传输过程中作为量子信息资源的量子纠缠产生的动力学问题。