量子信息科学作为一门新兴交叉的前沿科目自其诞生到现在已经得到了长足的发展,其有效的结合量子力学和经典信息科学来实现对信息以超越经典的编码、传送和计算等能力。而其中光子纠缠态不仅作为核心元素为其提供了宝贵的资源,还展示出比之其他系统的独有优势,包括:纠缠光子源的稳定易制备;以光子作为载体编码不易与环境发生相互作用,其具有较强的相干性;光子有良好的适用性,绝大多数的实验操作都可以在室温下完成,光信息处理也是最早被用于量子通信和量子计算的物理实验系统之一。基于此,本文主要阐述了利用线性光学平台在实验上通过参量下转换过程制备了高亮度的纠缠光子对和较为完整介绍了几种常用来优化制备纠缠光子源的实验系统,并利用这些纠缠光子源来完成一些量子信息、量子计算中的研究课题,本文的研究成果如下:1.实验上实现利用避错编码方案完成单光子量子比特的高保真度传输。我们在实验上实现了使用避错编码的方法将单光子量子比特在噪声信道中忠实地传输,此过程既不利用辅助光子也不使用纠缠光子资源。比特编码过程中我们使用路径不对称极化干涉仪将光子的偏振编码转换到时间仓编码,通过解码测量后可以以100%的高保真度实现单光子量子比特的确定性传输。另外,实验结果分析显示时间仓编码的量子比特对集体噪声有良好的免疫能力,这为量子信息科学中的远距离量子态传输和单向量子通信铺平了道路。2.基于单光子系统在实验上模拟研究一般宇称-时间(P-T)对称动力学的动态演化。在现代量子物理学领域,奇偶时间对称性取得的各种理论和实验进展是非常巨大的,并激发了许多新的应用。尽管已经在许多量子系统中探索了奇偶时间对称性,但其在单光子系统中进行量子模拟的演示仍然难以捉摸。在这里,我们在实验上实现了基于单光子系统在量子计算框架中的一般奇偶时间对称两级动力学演化,其中使用辅助量子位对系统进行了扩张,并对具有后选的非厄米特哈密顿量的子系统进行了编码。当仅考虑成功的宇称-时间对称演化子空间时,可以以高保真度观察到单光子状态(qubit)动态演化。由于该方法的成功实现,我们的工作为进一步利用奇偶时间对称哈密顿量的奇异性质进行量子模拟和量子计算提供了一条途径。3.利用微腔-量子点系统的非互易特性实现纠缠纯化和纠缠浓缩最大纠缠态的分发是长距离量子通信中的关键技术。特别是高保真度的纠缠分发依赖于有效的纠缠纯化和纠缠浓缩手段。在本研究中,我们提出一种可行的方法,通过使用回音壁模式微腔和量子点耦合系统,完成A型三能级纠缠量子点的纠缠纯化和纠缠浓缩。利用探测光的输入—输出过程,我们设计了一个奇偶校验门,该奇偶校验门允许对远距离基态纠缠的量子点进行量子非破坏测量。而且,可以从混合纠缠态或部分纠缠态中提取出高保真最大纠缠态集合。所提出的应用方案具有高保真度和可集成化的优点,可以利用当前的实验技术进一步应用于量子中继器和量子网络。4.利用交叉克尔非线性实现无限步二维量子行走。量子行走是经典随机行走的量子模拟,它为量子计算和量子模拟提供了强大的工具。然而到目前为止,基于光子系统的量子行走的实验性实现迄今仅限于一维或小规模的二维演化,这对于一些复杂量子计算任务进一步应用无法满足需求。在此,我们通过利用光子的轨道角动量和由交叉Keer非线性产生的辅助相干态的相位信息,从应用角度上提出了二维无限步可行的应用方案。通过数值模拟表明,合适的参数设置可以确保二维网格中无限步行走的测量成功概率接近100%。