物理状态可处于相干叠加态,是量子物理区别于经典物理的本质特征之一。利用量子态的相干叠加性质可以进行绝对安全的量子密钥分发,实现指数加速的量子算法。随着量子信息学的发展,量子相干性在量子生物学、量子热力学等多个新兴领域也发挥着至关重要的作用。关于量子相干性的研究也已从定性研究发展到定量研究,人们提出了相干度量框架,建立了量子相干资源理论。量子相干性已被广泛应用于各类量子信息处理任务中,且相干性的大小直接决定了多种量子信息处理任务的成败。然而,实际量子系统不可避免地与环境发生相互作用,造成量子相干性的损失,进而导致量子信息处理任务的失败。因此,在实际应用中,估计量子态的相干性是判断量子系统能否完成量子信息处理任务的必要手段,而操控量子态的相干性是促进其在量子信息处理任务中有效利用的重要途径。本文主要研究量子相干性的估计与操控,所取得的研究成果包括以下三个方面:第一,提出了有效估计多体量子态相干性的理论方法。基于稳定子理论,本文提出了一种适用于多体量子态的谱估计算子选择方案,极大地提高了谱估计对多体量子态的适用性。同时,建立了多种相干度量与量子态谱信息的联系。基于上述结果,可使用少数测量有效地估计多体量子态的谱信息,进而在多种相干度量定义下,估计量子态相干性的下界。另外,基于具有相同对角元素的量子态的相干性约束关系,本文给出了一种适用于所有相干度量的上界估计方案,该方案仅需要一个测量即可得到较准的上界。第二,实验验证了所提出的相干估计方法的可行性。本文在光学实验系统中,利用路径、极化两种自由度编码,实现了多种三、四量子比特纠缠态,包括Greenberger-Horne-Zeilinger（GHZ）态、团簇态和W态,演示了如何通过少数测量有效地推算它们的相干性。实验结果表明,对于实验上制备的五种多量子比特纠缠态,均能在五个测量内有效地估计它们相干性的上下界。与量子状态层析所需要的4n-1个测量相比,大大减少了获取相干性所需要的测量数目。另外,在相同实验条件下,与基于保真度、相干见证者的估计方法相比,对于一些重要的量子态,本文所提的相干估计方法的准确性有着显著地提高。第三,研究了量子相干性操控理论中确定性提纯和概率性增强的不可行定理。本文定义了一种相干度量,并利用它给出了量子相干性确定性提纯的不可行定理。另外,本文给出了一个量子态相干性不可被概率性增强的充分必要条件。这些结果是量子相干性确定性提纯和概率性增强的互补性理论,从逆向的角度研究了量子相干性中的操控问题,为量子信息处理任务中相干操控的可行性提供了理论依据。