囚禁离子是一个高度可控的量子系统,其不仅是量子计算研究的重要平台之一,同时也是量子模拟以及量子力学基础研究的重要工具。本文首先简单回顾了离子阱的囚禁原理以及激光与离子相互作用的相关理论,然后介绍了本文中使用的二套囚禁离子系统,包括囚禁¹⁷¹Yb⁺离子的四极杆形离子阱（加拿大西蒙弗雷泽大学）和囚禁⁴⁰Ca⁺离子的刀片形离子阱（国防科技大学）,同时我们介绍⁴⁰Ca⁺离子的微运动以及离子装载方案的优化。接下来我们在单个⁴0Ca⁺离子系统中利用5条对磁场敏感度不同的跃迁谱线以及Ramsey干涉技术对引起退相干的激光和磁场噪声进行分离并对其大小作出定量的分析,并提出并实现了激光频率噪声的优化方案,提高了离子的相干时间和量子态的操控精度。在此基础上,我们介绍了在离子量子态操控方面的三个工作。由于离子阱中的离子串天然地具有与晶体相似的结构并且离子囚禁势可用外部电场进行精确控制,因此离子系统非常适合模拟晶体的性质。我们的第一个工作是囚禁离子系统中探究量子结构相变。我们使用精密的采样和反馈控制方法将离子囚禁频率的稳定度优化到5 ppm以下,测量4个¹⁷¹Yb⁺离子晶体从线形到zigzag形结构相变中囚禁势能级的动态变化。我们在第二个工作中验证了绝热捷径在绝热量子研究中的重要应用,这里我们以单⁴0Ca⁺离子系统中绝热捷径辅助下快速实现量子搜索算法的实验为例进行了证明。最后我们在第三个工作中设计了单离子原子自由度（内态以及外部运动态）的弱值放大测量方案,并在实验上第一次利用单个⁴0Ca⁺离子的纯原子自由度验证了弱值放大效应,我们分别验证了弱值为实数情况下离子的运动波包位移被放大了25倍以及弱值为虚数情况下弱值放大效应与内态相对相位的极度敏感联系,这为基于离子的精密测量提供了更广阔的应用场景。