量子态和量子门是量子信息技术中用以提高信息处理效率的重要资源。为有效利用这两种资源,首先需要检验它们是否符合预期,这就需要我们完成两个任务:量子态检验和量子过程检验。传统的量子层析需要首先完全刻画出量子态和量子过程的密度矩阵,然后通过和预期的密度矩阵相比较来达到检验的目的。该方案广泛应用在小规模量子态和量子门的检验任务中,但由于它的样本和计算复杂度均随量子系统的规模呈指数增长,因此无法应用到未来中等和大规模量子信息处理的检验任务中。为解决该困难,学术界在近十年发展出许多高效的量子态和量子门检验方法用于检验量子态和量子门的各项指标是否接近预期。在这些新发展的高效检验方法中,量子态和量子门验证由于具有样本复杂度不依赖或者线性依赖于量子系统规模、检验精度（?）反比于样本数N、无需纠缠操作等优点而备受关注,许多常见的量子态和量子门的高效或最优验证策略在近几年被不断提出。因此量子态验证和量子门验证这两项技术有望在未来的大规模量子系统检验任务中成为标准方案之一。尽管在理论研究上进展迅速,但关于它们的实验研究却相当匮乏:在作者攻读硕士期间,关于量子门验证的实验研究以及量子态验证的应用探索基本处于空白状态,而它们对量子态和量子门验证的实用化和标准化具有重要推动作用。作者在攻读硕士期间从实验和应用方面分别对这两项技术进行了深入研究。第一,针对原有的量子态和量子门验证无法处理实验误差和统计噪声的缺陷,作者通过改进它们的数据处理方法以提高算法对误差和噪声的鲁棒性。基于此,作者首次在实验上实现了基于局域操作的两量子比特CNOT门和三量子比特Toffoli门的高效检验,展示出改进后的量子门验证具有良好的可拓展性和接近最优的验证效率。第二,为解决实数量子态掩蔽中输出态由于维度数增长过快而难以检验的问题,作者在实数量子态掩蔽的实验研究中,将改进后的量子态验证应用到掩蔽输出态的检验中,相较于使用量子态层析有效减少了检验所需的测量次数。本文的主要研究内容如下:1.实验上基于局域操作的高效量子门验证。首先,我们基于Chernoff界公式改进了原有的量子门验证的数据处理方法,通过损失少量效率提高了算法对误差和噪声的鲁棒性。然后,我们在线性光学平台上设计并搭建了两量子比特和三量子比特的量子门验证装置,并在其上演示了基于局域操作的CNOT门和Toffoli门的量子门验证。实验结果表明只需要使用20（32）个测量基和1600（2600）次测试就能以95%的置信水平验证CNOT（Toffoli）门具有99%（97%）以上的保真度;为实现相同置信水平的CNOT门验证,量子过程层析则需要用到324个测量基和24720次测量。我们的工作展示了量子门验证的高效性和可拓展性,对于未来大规模量子门检验的实验研究具有积极意义。2.实验上实数量子态的掩蔽以及掩蔽输出态的高效检验。首先,我们设计了基于量子行走的四维实数量子态掩蔽方案。其次,为解决掩蔽输出态维度高而难以检验的问题,我们引入改进后的量子态验证作为掩蔽输出态的检验工具以替代传统的量子过程层析。基于此,我们在线性光学平台上实现了一套四维实数量子态掩蔽的实验装置,并高效地检验了实验装置以较小的误差将实数量子态掩蔽到了两体纠缠态的关联中。此外,我们也在实验装置上演示了基于关联测量的掩蔽态高效解码算法,以及验证了输出态的并发度与输入态虚数鲁棒性之间的关系。作为首个高维量子态掩蔽的实验,该工作展示了实数量子力学与复数量子力学之间巨大差异,同时也展现了量子态验证在实际的量子信息处理任务中的巨大应用潜力,为后续量子态验证的应用研究提供了良好范本。