量子信息科学是利用量子力学的基本原理来实现超越经典信息技术的解决信息处理问题的一门科学。量子科学中发展起来的技术同时也为量子力学中基本原理的研究提供了方法。在众多量子信息的物理实现体系中,光子体系由于具可精确操控和长时间相干保持等特性,是一种有巨大前景的物理体系。本文中,我们研究了基于自发参量下转换过程产生的量子光源和线性光学元件的量子实验技术。本文介绍了基于线性光学的量子态的制备、演化和测量技术。本文包含基于相应技术的量子信息处理过程的物理实现和量子力学基本原理验证这两大方面的工作。本文实现了包括量子模拟和量子计算在内的多个量子信息处理过程。我们制备了双光子偏振纠缠态并成功地模拟了Ising自旋链基态的动力学行为,为未来量子信息科学与凝聚态物理的结合打下了基础。我们制备了单光子偏振和路径混合编码的高维量子态,并通过高维矩阵的分解实现了基于连续时间量子行走的搜寻中心算法,为基于单光子高维量子演化实验提供了明确的途径。我们实现了非幺正的离散时间分步量子行走,并且直接测量到了系统的拓扑数、观测到了边界态、研究了拓扑性质对微小微扰的鲁棒性,为后续研究非幺正量子动力学过程中的拓扑性质奠定了基础。我们实现了双光子偏振量子比特空间的排序操作并成功地演示了通过量子算法实现比经典算发更快地判断排序的宇称性质,为其他基于多光子的量子研究提供了方法。本文研究了量子力学中的互文性及其与非定域性的关系。我们通过量子比特旋转和双值部分投影测量的组合实现了不扩展量子比特系统维度的正算子测量,并在单光子偏振量子比特系统中观测到了广义互文性不等式的违背,从而严格地在最小量子体系中观测到了互文性的存在,也为大量需要正算子测量的应用提供了全新的方法。我们制备了编码在单光子偏振和路径自由度上的三能级体系,并通过对量子态的基旋转实现了不同上下文中两个测量的同时测量。实验观测到了互文性熵不等式的违背,从而首次以熵的形式确定了局域系统中的互文性关系,且首次在局域系统中观测到了信息的亏损,为研究量子力学与互文性实在论之间的矛盾点亮了新的曙光。我们制备了一个二维体系与三维体系纠缠的复合体系来研究量子非定域性,同时又可以利用其中的三维子体系研究互文性。实验通过测量-本征态重新制备-测量的方式实现了该三维体系中两个测量的先后测量,并通过对Bell不等式和KCBS不等式的测量观测到了量子系统中非定域性与互文性之间的强单婚性关系。实验结果意味着可能存在一种更基本的量子资源,而量子纠缠只是这种资源的一种特殊形式,同时也为进一步的研究这种更基本的量子资源提供了方案。