量子信息科学以量子力学为基础,通过与数学,信息科学,计算机科学,以及材料学等学科相融合,近30年来获得了飞速发展,并取得了累累硕果。基于量子力学系统的独特性质,量子信息科学在信息安全、信息存储、信息处理等方面拥有经典信息无法比拟的巨大优势,使得许多经典信息完全无法企及的问题变得可能,因此量子信息技术被人们寄予厚望,希望它能够让人类的信息处理能力实现跨越式的提高。信息处理与读出是信息科学的核心部分,对于量子信息过程而言,由于对象是异于经典世界感观的量子信息,因而针对量子信息特性及技术方法的研究显得尤为重要。如何更有效更准确地读出量子态或者量子信道包含的信息,如何理解量子力学不相容性对量子信息的影响,如何快速地对量子信息进行必要的变换等问题都亟待人们解决,并且对这些问题的研究将在很长时间成为人们研究的热点。目前,多种物理体系都是量子信息处理实现的潜在载体,其中,核磁共振体系因其成熟的控制技术以及较好的退相干时间,成为许多量子处理方法测试的优选平台,大量的量子算法和量子模拟方案在核磁共振上得到了演示。本文中简要介绍了基于核磁共振(NMR)体系的量子信息技术,并围绕"基于核磁共振体系的量子信息测量与图像处理应用"这一课题,介绍了本人在攻读博士学位期间的一些研究内容及成果。论文主要内容分为以下几个方面:(1,2)前两章是论文大背景的介绍,包括量子信息科学,以及NMR体系量子计算实现。(3)第三章讨论了量子态和量子过程层析的相关内容,介绍了博士期间这个方向的两个工作,一是利用成对相互作用理论上将利用单个测量仪器重构量子态的方法扩展到n-qubit系统,并用这种方法在实验上重构出不同类型的2-qubit量子态。二是利用自适应测量,考察对纯态和幺正过程的层析,极大地减少了测量次数。实验上实现了对量子信息处理中的通用逻辑门的层析。(4)第四章介绍了不确定关系的相关研究工作。第一个工作是考虑存在量子记忆的两体系统,对其中一部分进行全部无偏基的测量,推导出一个不确定关系的等式,即总的测量不确定度是一个常数,只与初始系统的状态相关。在实验上,设计直接测量的方式,并通过单个探测比特读出线性熵信息,对不等式守恒关系进行了实验验证。第二个工作是关于测量型不确定关系。我们对已有的理论框架做了一些修改,推导出qubit情形下基于统计距离的一个增强的测量型不确定关系,并设计联合测量实验方案,利用单个比特直接读出联合测量概率,对不等式进行实验检验。(5)第五章讨论了图像处理和特征提取相关问题。第一个工作介绍了量子图像处理基本框架,一些常用的量子图像变换相对经典图像变换存在指数加速,并在实验上演示了基本的量子图像变换过程。另一方面,我们提出一个高效的边缘探测算法,只需要一个操作即可提取出边缘信息,与图片维度无关,并成功的在实验中进行了演示。第二部分介绍本人对量子图像识别方案的一些简单思考。(6)第六章是总结与展望。