量子信息兴起于20世纪80、90年代,是信息学和量子物理学的交叉学科。量子信息学将信息编码成量子态,并研究如何以完全不同于经典机制的“量子”方式处理和操纵这些信息来获得经典信息学不具备的绝对安全性和超快计算速度等优势。从量子通信到量子计算,当需要对比不同方案的资源消耗及优劣时,我们需要一个量化的量子资源理论作为强有力的框架来量化一个所需的量子效应,开发新的探测协议,并优化其在特定量子信息过程中的优化应用。广义上来说,量子资源理论就是研究信息在某些特定操作下是如何定量转化的。迄今为止,人们对量子纠缠、量子相干性、纯度、热力学和非对称性等量子资源进行了深入的研究。量子相干性,量子叠加性的物理本质,是区分量子物理学和经典物理学的最基本的性质。它使得量子信息科学及其衍生出的量子技术拥有相应的经典信息学和技术所无法比拟的优越性,比如量子通讯的理论安全性;量子计算的超快速度;量子精密测量超越经典极限的精度等。近年来,量子资源理论激发了人们对局域化系统中长期存在的非经典性概念的深入研究,其中量子相干性资源理论的发展引起了人们极大的关注。迄今为止,相干性资源理论已经在单物理系统和分布式系统中得到了广泛的研究,其中涉及到单个系统和分布式系统中不同类型非相干操作下的量子态的转换。许多相干性的度量方式也被提出来,其中最常用的是相对熵下的相干性、相干性的l1-范数和相干的鲁棒性。目前,量子相干性资源理论的研究都是偏数学化、理论性的,缺乏相应的实验工作验证信息转换协议,以及该资源理论的操作意义和潜在应用等。本论文将在实验上实现量子相干性资源理论的相关的协议,探讨非相干操作意义及量子相干性资源理论在各种量子信息任务中的应用。取得的主要成果有:1.在实验上利用了光子量子比特在单拷贝情形下实现了基于辅助比特的量子相干性蒸馏。2.首次提出了一种将相干性和量子关联两种不同资源的无损失循环转化线路,并利用光量子比特在实验上实现了一次循环转化。3.从理论上完全解决了量子比特在非相干操作下的转化问题,并基于该理论实验实现高保真度的全光学的严格非相干操作。4.从理论上提出一种新的基于分布式系统中的量化相干性的非马尔可夫目击者,并在全光学系统中进行了实验演示。5.首次利用单光子的多个自由度设计出可分离以及包含非局域相互作用的两种量子集体测量,并实验上演示了其在减少热力学中测量反作用力中的效果。