光晶格中超冷原子系统因为具有独特的宏观物质波动性、理想的量子相干特性和丰富的量子调控手段，不仅在原子钟为代表的量子精密测量、新型量子器件中有重要应用，同时对探索量子多体物理的微观机制、新奇物态的量子模拟和量子计算等方面也有重要的科学意义。虽然轨道和自旋、电荷等一起构成量子材料的物理特性，但是研究晶格中轨道自由度仍然比较困难，这是因为高轨道的量子态属于高激发的亚稳态，需要发展新的调控技术。 本报告首先系统介绍了高保真度和高鲁棒性的高激发能带量子态快速制备的新方法。其次，通过对光晶格中不同轨道超冷原子的相干量子操控，研究了一维光晶格高激发能带的隧穿和布洛赫振荡过程，给出了在重力测量以及干涉仪方面的应用。进一步，通过驱动系统进入P-轨道能带的非平衡态，使系统可以较长时间处于一个亚稳定的量子动力学态，实现了滑动相位超流体，证明了具有鞍形形状的光晶格P轨道能带色散关系对实现相位动态滑动的重要性。最后，对于具有空间构型光晶格中的超冷原子，在介绍了对其噪声分析和信号处理方法以后，研究了不同维度光晶格中的量子相变，以及具有三态（Z_3）量子向列序的“波茨-向列相”超流体。这些研究为检验理论工作的预测、新奇材料的原理演示、新型量子器件的物理机制、和原子的相干量子操控提供了新思路和新方法。