光源与人类生活和工作息息相关,光源的一次次发展与变革也见证了人类文明的进步。新型量子光源的诞生为人类研究光源提供了新的发展方向,也极有可能促进下一次工业革命。新型量子光源中最重要的概念便是量子纠缠。量子纠缠是量子理论的核心,也是量子通信与量子计算中最重要的资源。人类对于量子纠缠的物理本质一直非常好奇并且试图去揭开它的神秘面纱。尽管到目前为止,这个问题仍然没有答案,但是毫无疑问,量子纠缠对于量子理论和科技的发展都起到了至关重要的作用。基于量子纠缠的蓬勃发展,量子保密通信、量子雷达、通用量子计算机等前沿技术正逐渐从理论走向现实。光子体系具有传播速度快、相干性强、自由度多等等优势,天然成为研究量子纠缠的优秀载体.为了满足应用领域的需求,如何实现具有更高信道容量和更强抗干扰能力的量子纠缠光源成为研究的热点,这对量子光源的纠缠维度和粒子数提出了更高的要求,同时,量子光源的集成化也是发展的趋势之一。为此,研究人员开发出了集成化的光量子芯片,加速了集成量子光源的发展。本文首次将超构透镜阵列应用到高维和多光子量子光源中,设计加工了相位可编码的集成性高维和多光子量子光源器件,基于该器件,制备出高维量子纠缠和多光子量子光源,利用最大似然估计进行态重构和Hong-Ou-Mandel干涉,表征了高维和多光子量子光源的关联性、纠缠特性、纯度和亮度等等指标。实验结果显示,基于超构透镜-非线性晶体结构的高维纠缠态均表现出高于95%的保真度,四光子量子光源表现出高于85%的干涉对比度。基于超构透镜-非线性晶体结构的高维和多光子量子光源是该交叉领域的一次新的尝试,展示了超构透镜在量子光源领域的应用前景,为集成化的光量子器件提供了全新的思路和平台。在制备出高维和多光子量子态后,本文探究了弱测量在多光子高维量子系统探测中的应用。首先基于弱测量和弱值理论,在高维纠缠和多光子态的直接层析方面展开了相关研究,利用弱值测量方案,我们得到了联合弱值与量子态密度矩阵的对应关系,可以直接层析得到对应元素,从而避免了完整的经典态层析过程。进一步,我们利用弱值放大方案,探究了弱测量在非完美探测器下相比于经典测量的精度优势,很好地展示了弱测量在量子系统探测中的优势。本文创新性地将超构透镜引入高维和多光子量子光源中,成功制备并表征了高维纠缠和多光子量子态,并且证明了超构透镜的相位编码能力,展示了超构透镜在高维和多光子量子光源领域的优越性和发展潜力,为集成化的光量子器件提供了新的发展方向和可靠的平台。在此基础上,我们引入弱测量对高维纠缠态进行直接层析,证明了对于任意的多粒子高维态该方案均能实现直接层析。最后,我们还展示了弱值放大方案在非完美探测器下相比于经典测量的精度优势和抗噪声能力。