在20世纪初所建立起来的量子力学是物理学的一个极大进步。它主要研究微观粒子的运动规律，不仅与相对论共同构成现代物理学的理论基础，同时也被广泛应用于生物学、化学、材料学以及信息科学等领域。经过近百年的研究，人们发现量子力学是描述微观粒子相互作用的正确理论，可以算作是被验证的最严密的物理理论之一。迄今为止，所有的实验数据均无法推翻量子力学，促进了量子力学及其在众多相关学科上应用的快速发展。尽管如此，量子力学依然存在着一些缺陷，例如量子力学与广义相对论之间的矛盾使得寻找万有引力的量子理论十分困难，同时量子力学中的若干基本概念也存在一些还未明确的问题。　　本文我们主要关注量子非定域性和不确定性原理这两个量子力学的基本原理，它们都是量子力学与经典力学相区别的最本质特性。被Einstein称作“幽灵般的超距作用”的量子非定域性，是当今量子信息处理中的研究热点，与其密切相关的量子纠缠现象在量子计算、量子隐形传态、量子超密编码以及量子保密通信等方面都有广泛应用。由于实验上得到多体纠缠的复杂性和困难性，从而制约着量子态所能够携带的信息量。高维纠缠和超纠缠作为新的纠缠形式，提供了解决这个问题的两个途径。利用现有实验技术和光学器件，我们提出了两个不同超纠缠态的制备方案，分别基于二维和四维量子系统。同时，也从理论上研究了超纠缠在检验定域实在论与量子力学之间矛盾上的优势。　　量子纠缠在量子信息任务中的应用始终是近几十年的研究热点。例如，在保密通信中，通过量子信道传输的信息是否安全取决于所分发密钥的安全性。但是Shor大数因子化量子算法的出现，极大地威胁了经典加密体系的安全性。不过量子力学给现有保密通信带来破坏的同时，也提供了相应的解决方法。人们发现量子力学的基本原理能够保证量子信息在传输过程中的绝对安全性。于是发展出了各种各样的量子密钥分配协议，并在实际应用上也不断取得重大进展。我们通过结合高维纠缠和超纠缠的特性优势，提出了一个基于高维超纠缠态的量子密钥分配协议。在量子信息的传输过程中，环境噪声对量子系统的影响同样不可忽视。只有高质量的量子态才能保障信息的使用和信道的安全，所以纠缠纯化和纠缠浓缩逐渐成为量子信息领域的另一个研究重点。到目前为止，人们基于不同技术和原理，提出了许多纠缠纯化和浓缩方案。我们针对超纠缠这个新兴资源，提出了能够对超纠缠态同步完成纯化和浓缩任务的方案。　　不确定原理构成了整个量子理论的基础。Heisenberg不确定关系已被严格证明和广泛接受，但由其延伸而来的Heisenberg测量扰动关系则自提出以来受到了长期的讨论与质疑。最近十年，关于测量扰动关系的研究成果如雨后春笋般涌现出来，物理学家们提出了各种改进的测量扰动关系。同时随着实验技术的进步，已经对Heisenberg以及一些改进的测量扰动关系进行了实验检验。但是目前的实验大多采用弱测量技术，其适用的量子系统有限，而且对于复杂系统，实验过程将十分困难。我们研究了测量扰动关系与量子关联之间的联系，并提出了利用量子关联来检验测量扰动关系的实验方案。