量子相干性,或者说量子态的相干叠加特性,是量子力学区别于经典世界的最基本的特征之一。它不仅是量子度量及纠缠制备的重要资源,也是量子光学、量子信息、固体物理、及热力学等中的一系列现象的物理本质。近年来,关于量子相干性下量子力学基本原理,如不确定原理、宏观实在性等已有大量的理论及实验研究。这些研究不仅加深了人们对量子世界的认识与了解,更促进了各种实验技术的发展。然而由于缺乏合适的理论描述及有效的实验技术,此类量子力学基本原理的实验验证依然存在一定漏洞。如何发展各类实验手段,设计有效无漏洞的实验方案,验证这些量子力学基本原理,不仅对完善量子理论有着重要意义,也为如何利用量子力学,实现量子信息处理走向实用化提供重要的技术支撑。本文在参量下转换制备的量子光源的基础上,利用线性光学体系,设计实验研究量子力学中的不确定关系及量子与宏观实在性的矛盾,且实验探讨纠缠辅助在噪声下量子度量中的应用,最后采用量子行走相干性演化模拟动力学量子相变并观测到拓扑斯格明子结构。具体内容简述如下:1).采用单光子下的投影测量在实验上证明了两种以加和形式更强的不确定关系。这种不确定关系克服了传统海森堡-罗伯森不确定关系式中,在某一个可观测量完全可以确定的情况下,另一个可观测量的测量不确定度完全不可确定的缺点。实验上以方差定义测量的不确定度,并在二维及三维量子系统下,采用投影测量,直接探测两不相容算符的不确定度。实验不仅证实了这两种更优的加和形式的不确定关系,同时还演示了一种任意三维幺正操作及投影测量的实验方法。2).在三维量子体系下,实验观测到了Leggett-Garg不等式的更大违背。经典宏观世界存在两种假设:宏观实在性及入侵性测量,遵循这两种假设的宏观世界满足LeggettGarg不等式,而其在量子力学中始终被违背,且一直被认为存在不等式的违背上界满足Tsirelson界限。实验上通过把系统的维度扩大到三维,采用理想负性测量,将测量结果的可能性由两种扩大到多种,观测到了超过Tsirelson界限的更大违背,充分显示了量子瞬时关联与空间关联的区别。3).实验实现模糊测量及清晰测量,探测到时间上无信号的Leggett-Garg不等式违背。主要介绍一种依托清晰测量及模糊测量下改进型的Leggett-Garg不等式,并在实验上实现模糊测量,探测到区别于经典情况下的不等式违背,排除了由时间上信号的传递导致Leggett-Garg不等式违背的可能性。而且,还在实验上探测到清晰测量及模糊测量都遵循时间上无信号的情况下的Leggett-Garg不等式的违背。这对验证无漏洞的宏观实在性具有重要意义。4).理论改进并实验验证了两类鉴证量子与经典的容错不等式。量子鉴证等式是宏观实在性的充分必要条件,然而在实际应用中,任何实验微扰都会导致此类等式被违背,给出错误的判断结果。本文以不等式的形式提出并实验验证了两种量子鉴证不等式,第一种采用盲测量得到不等式在量子系统下的最大违背随着系统维度的增加而增加,第二种不等式通过将测量替换为任意量子信道,观测到不等式的最大违背不随系统维度变化而改变且始终为1。两种不等式均能克服量子鉴证等式由实验误差导致的违背的缺点,更能体现态叠加的量子特性。5).在多种噪声下,实验证明纠缠可以抵抗噪声对量子位相测量中的影响。采用空间上分波复用的双层干涉仪,模拟多种量子噪声信道,同时实验演示在单指针及两指针纠缠的情况下,纠缠辅助在量子相位测量中的优势。实验基于光子及线性光学干涉仪实现,易于操作及控制,为实现一种抵抗量子噪声的位相测量提供一种重要的途径。6).在单光子量子行走中模拟多体拓扑系统的动力学淬火过程,系统地研究了淬火过程中的动力学量子相变,并测量了动力学拓扑序参量。通过将解耦多体费米子的量子淬火动力学演化过程转绘到单光子量子行走准动量基矢的相干淬火演化中,设计实验模拟了幺正演化、宇称-时间对称保持及破缺的非幺正演化,同时改变初始态为纯态及各种混态,对动力学量子相变过程进行了系统而又完整的实验刻画。这有助于进一步理解多体开放系统中的拓扑性质及动力学演化过程。7).在宇称时间对称性的动力学淬火演化中,实验上首次在量子行走中的动量时间空间中观测到斯格明子的存在。实验采用分步离散量子行走模拟不同Floquet拓扑相之间的淬火过程,并使用投影及干涉基测量的方式,重构不同时刻下系统态的密度矩阵,在宇称时间对称保持的幺正及非幺正演化过程中,观测到思科明子的存在。同时探测到当淬火过程发生在宇称时间对称破缺及相同Floquet拓扑相时,斯格明子的消失现象。这一工作不仅体现出量子行走应用在量子模拟中的强大性,也是首次在单光子实验中观测到二维拓扑斯格明子结构。总之,本论文的研究有利于人们进一步认识与了解量子相干性下量子力学中的不确定原理及宏观实在性,为划定量子与经典的边界提供一定的参考价值。在应用方面,强调纠缠在量子度量中抵抗噪声的重要作用。同时使用量子行走模拟动力学淬火过程,系统的研究了动力学量子相变,并首次在量子行走的动量时间空间中观测到斯格明子,这对于在基于多体拓扑系统的动力学淬火过程的研究中,发现新奇的物理现象模拟不同的拓扑结构有重要意义,同时,也有助于在未来以此开发新型的具有量子特性的光调控器件,为实现量子计算和量子模拟提供新的依据。