量子信息学以信息学和量子力学为理论基础,一方面将量子系统作为信息载体,利用量子比特独有的相干、纠缠等特性,实现信息处理维度的扩展,并由此衍生出量子通信、量子计算等一系列基于量子系统的信息处理新模式;另一方面,量子信息学从信息学的角度对量子物理学重新加以阐释,通过对量子力学中的相干、非局域性等物理量予以系统化的定量描述,提出诸如量子资源化理论、贝尔非局域理论等,进一步加深对人们对量子物理以及量子系统的深刻理解。量子信息学的这两方面发展相辅相成,并随着现今实验技术的飞速发展,在基础科学和应用科学领域都已发挥出巨大作用。线性光学系统以光子态的偏振、路径等属性作为量子比特的载体,具有相干时间长、编码维度多等优点,可以实现多种量子信息过程及相关实验研究。本文所取得的主要研究成果如下:1.提出基于超快参量下转换的纠缠纯化理论方案。我们将量子点辐射产生的纠缠光子对和窄脉冲激光同时入射非线性晶体,通过调节脉冲激光的波长和时间宽度,可令纠缠光子在参量下转化至通信波段的同时受到时间后选择作用,降低量子点中间能级劈裂对纠缠度的影响。2.基于二维材料的室温单光子源的制备研究。六方氮化硼具有约6 eV的宽能带带隙,囚禁于深缺陷能级中的激子在室温下不会被声子激发为自由激子,因此六方氮化硼材料可用于制备室温下的单光子源。我们通过对六方氮化硼薄片进行离子注入和高温退火等处理,实现了基于六方氮化硼材料的室温单光子源的初步制备。3.宇称-时间对称量子系统的量子模拟及其中no-signalling principle的实验研究。我们将一对纠缠光子对分配至处于类空间隔的两地,利用线性光学系统和时间后选择实现了非局域量子模拟器的构建并模拟了宇称-时间对称量子系统,实验研究了其中的no-signalling principle,演示了一定条件下宇称-时间对称量子系统中的信息超光速传播现象。4.实现测量精度超越经典极限的能量循环型弱值测量。我们通过将光学腔增益系统引入弱值测量体系,实现了弱值测量中后选择丢弃光子的循环利用,在保持弱值放大效果的同时,提高了测量精度,并超越了传统测量的散粒噪声极限精度。5.实现量子相干的严格测度。我们实验上实现了两种满足资源化理论的量子相干严格测度,一种基于量子相干鲁棒性定义,另一种基于量子相干鲁棒性对应的可观测物理量,两种新型测量方法均具有简明直接的优点。