量子信息学是信息学和量子物理学相结合的一门科学,量子信息处理为通信和计算以及其他信息处理任务开辟了新的途径,可以实现经典通信方式以及经典计算机无法实现的任务。这样的优势尽管在理论上已经得到广泛认可,但是目前实验上还远远不能实现。在众多尝试实现量子信息处理的量子系统中,光子系统是一个被认为很有发展前景的系统,因为光子系统有很多优点,比如消相干时间长、光子易于传输以及易于制备与操作等等。然而,光子系统也有着很多缺点,比如难以存储、光子与光子之间难以发生相互作用等等,其中,光子与光子间的相互作用目前只能利用光子干涉和探测几率性地实现,不过这样的办法结合量子隐形传态的思想及编码已经被证明可以实现可扩展的量子计算。由于光子干涉是实现光子间相互作用的核心,所以干涉的好坏往往直接影响量子信息处理的保真度,这就激起了人们对光子干涉,尤其是多光子干涉的研究,反过来,人们对光子干涉的深入研究也促进了量子信息处理在光子体系中的实现。尽管光子系统不易受消相干影响,但是在某些情况下光子不同自由度之间的耦合会影响所考虑自由度上的量子态,因此,考虑光子系统中的消相干机制及应对也是很有必要的,而且,光子系统也是实验上演示验证各种消相干模型及应对的一个很好选择。本博士论文就以上这些方面做了系统的综述介绍,介绍了光子系统中利用线性光学元件实现量子信息处理的基本原理及进展,详细介绍了我们在这些方面取得的研究成果,主要研究成果如下:1.多光子干涉实验和理论的研究光子的干涉来源于不可区分性,多光子间的可区分性相比双光子间的可区分性要复杂得多。我们组在多光子干涉及多光子时间可区分性的刻画方面做了一系列的实验和理论研究工作,在其中一些工作中本人做了一些辅助的实验操作或辅助的理论分析,包括多光子的德布罗意波长的实验验证、高精度相位测量的实验实现以及通过三种办法对多光子时间可区分性的刻画。2.偏振纠缠W态的扩展方案利用光子干涉和后选择技术,人们提出了很多制备多光子偏振态的方案,也在实验上实现了一些态的制备。我们提出了扩展多光子偏振纠缠W态的方案,我们的方案简单易行,且可以制备目前成功几率最高的三光子偏振纠缠W态,而且也为利用单光子和线性光学元件制备偏振纠缠W态提供了可能。3.量子Fredkin门的实现方案我们提出了几种实现量子Fredkin门的方案,其中可预知的方案需要四个可预知的控制非门,这个方案可以简化为一个只需要两个控制非门的后选择方案,我们给出了一种实验上可能实现的办法,另外我们还提出了一个利用三光子时间纠缠实现的方案,这个方案不需要辅助光子。我们的方案虽然目前实验上实现难度还很大,但是我们首次为实验上实现量子Fredlkin门提供了可能。4.宇称编码再编码器的构建方案宇称编码是对计算基上投影测量造成的错误纠错的有效编码方式,宇称编码再编码过程是宇称编码应用的核心。我们给出了实验上构建双光子宇称编码再编码器的方案,并给出了利用这个再编码器实现量子计算和量子隐形传态的过程,我们的方案以目前的实验条件是可以实现的。5.四光子任意偏振纠缠相干保持态的制备方案相干保持子空间已经被证明是克服消相干的一个很有效的办法,要想保护任意的一个逻辑量子比特的信息不受集体消相干的影响,需要至少四个量子比特构成的相干保持子空间。我们提出了一种新的制备任意四光子偏振纠缠相干保持态的方案,这个方案实验上容易实现,且具有普适性,有可能应用于其它量子系统。另外,我们方案中的核心装置,部分交换装置还可以用于很多其它的量子信息处理任务。6.光子频率与偏振耦合对偏振态造成的消相干与频谱的依赖关系当光子在光轴固定的双折射晶体中传播时,频率和偏振的耦合对光子偏振态造成相位消相干。我们详细地研究了这样的消相干过程与光子频谱间的依赖关系,尤其是彩色频谱情况下的非马尔科夫消相干过程。这样的消相干模型虽然简单,但它是很多复杂消相干机制的基本组成部分,而且我们所做的研究为实验上研究非马尔科夫消相干过程中“环境的记忆”效应提供了可能,更进一步,我们所做的纠缠态消相干研究为研究纠缠动力学过程提供了实验的可能。