量子信息作为一门依赖于量子系统的信息处理科学,它的基本单元就是两能级量子系统,也就是通常所说的量子比特。对单比特量子系统的操控和信息读取是未来实现量子信息任务和量子计算的必备技术,其中单比特信息的读取是依靠量子测量实现的。研究测量过程中多个可观测量之间的误差和扰动限制关系,则对实际的测量过程有着重要的理论指导意义。当系统扩展到多粒子的情况时,粒子间的关联就成为量子信息的一个重要研究对象,这些关联可以作为一种资源来实现多种量子信息任务。例如,量子纠缠可以用来实现量子隐形传态,量子纠错和量子计算。关于纠缠的一个重要问题就是纠缠划分,它可以帮助我们更好的理解纠缠这种神奇的物理性质,抓住不同类型纠缠的内在本质特征。量子非定域性作为量子信息长久以来的一项研究内容,可以用来实现设备无关的量子密钥分发,简化通信复杂度等,同时,对它的研究也可以加深我们对量子力学的理解。多体量子系统局域与整体之间的关联可以简化标准的量子态层析过程,使测量基个数和后处理时间都由随比特数的指数增长变为线性增长。本论文围绕上述问题,进行了如下几个方面的研究:1.利用单光子分离变量的量子行走装置实现了单比特Trine POVM,SIC POVM和两个非正交态的确定性态分辨,实验验证了单比特广义测量的一种普适方法。2.在之前单比特广义测量方法的基础上,实现了两个非对易泡利算符的联合测量,验证了它们之间态无关的误差扰动关系。进一步搭建了 13步的单光子量子行走装置,提出并实验测量了新的三个泡利算符间的态相关的不确定关系,弥补了两个可观测量间不等式的不足。3.实验制备了两个高保真度的四光子纠缠态,并运用局域过滤装置区分出了这两个四光子纠缠态的不同纠缠类型。我们的方法仅需要单光子局域谱的探测,它为将来量子态纠缠类型的实验区分提供了一种新的可能性。4.简要论述了线性光学系统量子非局域性的发展进程,实验制备出了高保真的四光子Dicke态,以对它的非定域性实验探测为例,显示了这类实验存在的不足,介绍了主要的探测漏洞和现如今的无漏洞局域探测实验。5.对于某一类的纯态存在一种有效的量子态层析方法,可以利用量子态的关联性质,使量子态层析的实验测量基个数和后处理时间随系统维度的指数增加变为线性增加。我们实验制备了一个高保真度的四光子纠缠态,研究了该方法的有效性和对噪声的鲁棒性。