随着冷原子及其在精密测量、量子传感、原子干涉、量子模拟等领域中的应用不断发展,快速且高保真的量子态操控及其应用已成为当前物理学中的研究热点。众所周知,量子绝热过程,即演化足够缓慢从而体系的波函数（含时哈密顿量的薛定谔方程的解）将沿着其瞬时本征态演化,是量子态制备及操控的主要方法,在当前原子冷却、离子转移、绝热量子计算等方向发挥着极其重要的作用。然而,由于其过程耗时长,易受退相干、噪声、微扰等因素的影响,导致量子计算或者操控的精度降低,甚至是重复实验无法实现。为此,人们旨在加快量子绝热慢过程、实现量子态的精准操控或制备,并于近年来提出“量子绝热捷径技术”的概念。本博士论文旨在基于冷原子体系,研究量子绝热捷径技术及其优化方法,实现内态及冷原子的快速、精准的量子操控,取得的成果如下:一、由经典力学的运动方程出发,通过简单的方法设计非简谐势阱中原子质心的运动路径,从而直接反设计出势阱的快速转移路径以及针对剩余能量和鲁棒性优化的方案。二、由量子不变量出发,并结合含时微扰理论及最优化控制理论,反设计出非简谐能量最小化的冷原子快速转移轨迹。三、基于二能级体系的反设计方法,研究单个自旋、相互独立的不同自旋、相互作用的双自旋及多自旋的同时操控,实现快速、精准、稳定的叠加态或纠缠态的制备,进而可针对耗散或者系统噪声进行优化。四、针对原子转移、冷却和自旋操控中量子绝热捷径技术的设计和比较,揭示了反设计方法同样可以逼近最优化解,并具有简单、易操作的特点。