量子信息技术的蓬勃发展为我们更深入地认识和了解世界带来了新的视角。从1916年爱因斯坦提出受激辐射的原理到如今已过去百年,随着人们对于光的本质认识的不断加深,量子光学这一领域逐渐升温并在近年来迅速发展,基于光子的量子信息技术也走入人们的视野。一个单一封闭量子系统的量子状态我们是无法获得其完整的信息。但激光光源可以看成最基本的量子态—相干态,这样就确保了激光的量子态在不同的时间点可以处在完全相同的状态下,通过对每个副本上进行不同的测量,那么我们可以估计一个系统的未知量子态,这类技术就是量子层析。量子态层析(QST)、量子过程层析(QPT)和量子探测器层析(QDT)都是量子层析技术的分支。这三种量子层析技术也是相互关联,可以让我们构建一个完整的数学模型来表述我们获得的信息,并把这些技术推广到我们的应用中去。本论文从对量子态层析这个方向出发,最后到对量子过程层析和量子探测器层析的应用上。表面等离激元由于其新颖的传播特性以及在纳米光子学中巨大的应用前景,成为经典光学领域近年来的研究热点之一,而对光与表面等离激元耦合过程的理解,特别是量子层面的理解,仍然较为缺乏。针对量子过程层析,本文将光与表面等离子激元耦合这一现象作为一个量子过程,构建了低光子数的实验测量平台,通过实验首次对表面等离激元的量子特性进行了完整的表征。通过对这一问题的研究,可以看到量子过程层析确实能够获取更多的信息,也体现出量子过程层析的应用前景。量子探测器是连接量子世界和经典世界的桥梁,因此对一个探测器的量子属性进行标定有着至关重要的地位,对探测器的量子属性进行全面的表征也会让我们对这些量子探测器在未来的应用中提供了依据。针对量子探测器层析,本文提出了基于双模压缩真空态的量子探测器层析改进方案。这个改进的方法并没有使用复杂的手段,只是在双模的一边加上了一个高分光比的分束器,用以提高量子探测器层析的保真度。这个应用可以让我们对测量的次数不变的情况下获得更加准确的表征,或者也可以说在同样的表征精度条件下需要的测量次数更少。我们将对量子过程和探测器的理解应用于量子精密测量的研究。测量时候的测量值与实际值总会有一个误差,而增加测量次数会让误差变小,由于我们测量的次数是不可能无限多次所以测量存在一个精度上限。因此,如何在有限的测量次数中提高测量精度就是一个很重要的事情。本论文讨论了在使用双模压缩态来做光源情况下,扣除或者增加光子的办法来提高Mach-Zehnder干涉仪相位估计的灵敏度和分辨率。我们计算出来分辨率是达到了海森堡极限,而且增加光子的双模压缩态效果是最好的。