光学，作为一种工具，早已被广泛应用于各种科学研究中。特别是在激光被发明后，很多重要的研究和发现都是以它为基础完成的。同样，光学也推动着物理学，尤其是近代物理学的发展。如对光场辐射的研究直接导致了量子力学的产生，使得人类进入量子时代。自上个世纪80年代开始，诞生了一种建立在量子力学基本原理上的信息处理方法—量子信息。在此量子信息理论中，量子力学的量子态叠加理论和测量塌缩理论保证了量子密钥分配的安全；同样量子态叠加理论和演化理论使得量子计算可以并行工作，其效率将远优于普通电子计算机。在实验上，人们尝试着在多种物理体系上实现量子通讯和量子计算。而光学方法因为其独特的优点，较其他方法发展更快。首先，光子的易传输性是其他物理体系不具备的。因此在实际量子密钥分配中，几乎都使用光子作为信息载体。其次，成熟的非线性光学手段和良好的激光光源使得光子态制备变的容易。最后，对于光子态的精密控制和探测也使得人们容易完成不同的量子操控方案。所以，诸如量子密钥分配，量子力学非局域性检验，量子隐形传态等一系列实验都是首先利用光子完成。实际上，用在量子信息中的光子操作在物理本质上就是某种光子干涉，都是建立在某些干涉模型上的。如单光子实际的量子密钥分配的光学部分就是一种单光子干涉；而利用线性光学方法来完成的量子计算方案是多光子干涉。因此对光子干涉本身的研究将为其在量子信息中的应用提供更好的方法。反过来，光子干涉也是一种量子操作过程。我们可以利用量子信息的语言来描述和分析干涉。例如光子干涉时对态的转换可以表示成量子信息中的量子比特操作；而其干涉可见度的不同就是量子信息中的消相干作用的结果。目前量子信息科学中最常用多光子源是用光学参量下转换产生的。本博士论文讨论了由该过程产生光子之间的干涉和态的可区分性，以及在量子信息中的应用。具体有以下几个主要内容：1．光子干涉的本质以及在量子信息中的应用我们揭示了光子干涉的本质是光子的不可区分性。只要存在不可区分性，不仅单光子会发生干涉，双光子以及多光子同样会发生干涉。利用此观点，讨论了不同的单光子，双光子和多光子干涉；并进一步讨论了这些干涉在量子信息，量子计算和量子测量中的应用。2．同路径多个光子态的干涉和可区分性我们首先研究了同路径多光子偏振态的旋转特性。因为在旋转操作中，多个光子之间相互干涉，其结果将显示与单光子完全不同的现象。为了进一步研究此类多光子干涉，我们构造了双模多光子态投影测量，包括光子数最大纠缠态(NOON态)投影测量。利用光子数最大纠缠态(NOON态)投影测量，我们可以用参量下转换产生的多光子对演示多光子德布罗意波长；在高精度量子相位测量中，我们直接用参量下转换产生的多光子对和相应的多光子态投影测量得到量子力学所允许的最好相位精度—海森堡极限。此外，利用NOON态投影测量可以完成广义的多光子Hong-Ou-Mandel干涉，并干涉结果与光子态的可区分性一一对应。3．受激辐射和光子聚束我们利用参量下转换过程，在实验上直接观测到了光子受激辐射引起的光子聚束现象。进一步，我们从理论和实验上揭示了由受激辐射产生的光子聚束与光子干涉产生的光子聚束本质都来自于光子的不可区分性。而光子的不可区分性是因为与其他光子或自由度存在纠缠，因此我们在实验上利用受激辐射得到的两个双光子态的赝拷贝测量了该双光子态的纠缠。4．多自由度的光子干涉与纠缠所有的光子干涉都可以认为是量子计算的结果。光子干涉中会牵涉到多个自由度以及多个光子。我们利用量子计算的语言加上光子的交换对称性重新描述了这些干涉，并讨论了光子态中的纠缠。存在于不同自由度之间或不同光子之间的纠缠会引起自由度或光子的可区分性，并会导致实际实验中的干涉可见度下降。