光晶格中超冷原子系統因為具有獨特的宏觀物質波動性、理想的量子相幹特性和豐富的量子調控手段，不僅在原子鐘為代表的量子精密測量、新型量子器件中有重要應用，同時對探索量子多體物理的微觀機制、新奇物态的量子模拟和量子計算等方面也有重要的科學意義。雖然軌道和自旋、電荷等一起構成量子材料的物理特性，但是研究晶格中軌道自由度仍然比較困難，這是因為高軌道的量子态屬于高激發的亞穩态，需要發展新的調控技術。 本報告首先系統介紹了高保真度和高魯棒性的高激發能帶量子态快速制備的新方法。其次，通過對光晶格中不同軌道超冷原子的相幹量子操控，研究了一維光晶格高激發能帶的隧穿和布洛赫振蕩過程，給出了在重力測量以及幹涉儀方面的應用。進一步，通過驅動系統進入P-軌道能帶的非平衡态，使系統可以較長時間處于一個亞穩定的量子動力學态，實現了滑動相位超流體，證明了具有鞍形形狀的光晶格P軌道能帶色散關系對實現相位動态滑動的重要性。最後，對于具有空間構型光晶格中的超冷原子，在介紹了對其噪聲分析和信号處理方法以後，研究了不同維度光晶格中的量子相變，以及具有三态（Z_3）量子向列序的“波茨-向列相”超流體。這些研究為檢驗理論工作的預測、新奇材料的原理演示、新型量子器件的物理機制、和原子的相幹量子操控提供了新思路和新方法。