量子信息科学是一门结合量子物理、计算机科学以及信息科学的交叉性学科,包括量子通信、量子计算、量子度量和量子模拟等多个领域。近年来,基于各个物理系统的量子信息实验体系得到了长足的发展,包括离子阱、超导线路、冷原子、光子等。其中光子具有不易消相干、易于操控、制备相对简单等特点,而且光子是天然的飞行量子比特,在量子通信中发挥着不可或缺的作用。因此,对光子态的调控及其演化的研究在量子信息处理中发挥着重要的作用。在基于光子的量子信息处理中,对光子的高速调控在提高量子通信速率、信息处理速度方面都有重要意义。电光效应作为一种高速光子调制方法在经典光通信、光学频率梳的产生和刻画等方面已经有了广泛的应用。而在量子光学领域,电光调制与商用射频器件结合也能够提供相干的高速光子调控手段。要实现可扩展的量子信息处理器件,必须要克服量子系统和环境的耦合导致的消相干。人们目前发展了多种克服消相干的手段,包括量子纠错码,动力学解耦,无消相干子空间等方法。其中无消相干子空间利用系统和环境耦合的对称性,具有本征的相干保持特性。而对于量子系统的噪声性质的研究有利于人们提出更简单高效的克服消相干的方案。本论文主要实验研究了光子偏振态的高速调控手段,及其在量子行走中的应用。并在理论上研究了单模多光子态在Pauli噪声中的演化性质。文章内容如下:1.绪论部分介绍本论文的研究背景、相关概念和研究进展,包括量子信息科学、常用的光学器件、光学干涉仪等。2.第二章介绍我们设计的基于电光调制器的高速光偏振控制方案,我们实验实现了基于光子偏振编码的任意单量子比特相位门。3.第三章介绍基于高速光偏振控制的量子行走的实验实现。我们利用高速任意波发生器在不同时间点上对光子施加不同操作,从而实现位置依赖的量子行走硬币。在实验表征方面,我们使用触发单光子探测器刻画了量子行走的分布和纠缠熵。我们还采用子空间量子态重构和半正定优化的方法估计了实验中量子态纯度的下界,证实了光子相干的量子行走。4.第四章介绍单模多光子态在Pauli噪声中的演化性质。我们采用归一化线性熵刻画了经过噪声信道后的量子态混度。我们发现相较于单光子态,多光子态在噪声信道中并不一定能够演化为最大混态。除此之外,我们还发现了多个无消相干子空间,编码在该空间内的量子信息不会被噪声信道破坏。该方法也可扩展到其他玻色子量子系统。