量子信息是量子物理和信息科学交叉发展起来的新学科,由于具有经典信息学无法比拟的优势和前景,近年来得到了广泛的关注和发展。量子通信是量子信息领域最接近实用化的方向,根据传输信道不同,又分为光纤量子通信和自由空间量子通信。目前光纤量子通信已基本达到极限传输距离,自由空间量子通信则可借助空间平台建立高稳定低损耗信道,实现超远距离量子通信实验,通过空间平台中转将有可能实现覆盖全球的量子通信网络。因此自由空间量子通信成为目前国际上最热门的研究方向。本文的内容主要内容包括在实验上,模拟了卫星发射单光子源,到达地面被探测的星地量子信道的建立,并在此基础上发展了基于卫星运动平台的偏振保持技术,验证了以现有技术水平实现星地量子通信的可行性;实验制备了两体四维纠缠光子对,并将其应用于“量子心灵感应”游戏的演示;实验同步了两个由独立激光器产生的纠缠光子对,并在此基础上实现了纠缠交换;实验演示了基于消相干自由子空间的容错量子密钥分配。在我们实验中发展起来的技术,将在未来的基于空间平台的自由空间量子通讯,实用的量子密码,线性光学量子计算等方向有着重要应用。