在众多尝试实现量子信息处理的量子系统中,光子不易与环境发生相互作用而退相干,而且光子有很多自由度可以用来编码,包括光子的路径、偏振、轨道角动量、频率、时间等,这些优势使得光子成为量子信息发展领域天然的信息传输载体。量子信道作为传输量子信息不可或缺的结构单元,在其中传输的量子态经过不同结构的信道后,会有不同的动力学演化结果,因此对量子信道的实验研究对信息科学和量子技术领域都有重大意义。本人博士期间的主要工作为设计和利用一些特殊的光学量子信道来研究量子信息和量子物理中的基本问题,主要包括量子退相干信道的模拟、量子相干资源在信道中的动力学演化过程、量子信道超可加性的实验验证以及一种实现所有两点量子关联的因果结构区分的实验算法等,所取得的主要研究成果如下:1.实验上观测到量子相干资源在退相干信道中的突变现象,包括突然死亡与突然恢复。在量子力学中,开放量子系统的相干性会因为与外界环境发生相互作用而随时间逐渐丧失,这一效应称为退相干（Quantum decoherence）。我们利用光子频率自由度模拟马尔科夫环境,通过在空间环境中利用成组特制的偏斜石英片构造出一个量子退相干信道,首次在实验上观测到量子相干资源在该信道中的突变现象;同时我们还从数学上定义了n阶相干突然死亡,并在实验上同样观测到该现象。除此之外,通过在环境中加入非马尔可夫噪声,我们还实验观测到量子相干从0突变为非零的情况,即出现了退相干信道中量子相干的可控性恢复。2.首次实验验证量子信道容量的不可加性,为量子信道的深入实验研究打下基础。信道容量是衡量通信信道在噪声环境中通信能力的一个关键参数,其具有的超可加性在常见的量子信道中十分微弱,难以实验观测。我们构建了一种同时具有“退相位”（dephase）和“擦除”（erasure）性质的量子信道,即退相擦除（dephrasure）信道,利用该信道我们在实验上首次明确且直接地观测到了量子信道容量中相干信息的超可加性（super-additivity）。在实验上我们搭建了一套具有n次复用能力的量子信道（n-fold quantum channel）。相干信息的超可加性在实验中就体现在使用两条具有单次复用能力的信道下测得的相干信息,并不等于使用一条具有双重复用能力的信道下相干信息。同时,我们还观测到,在使用双重和三重复用的信道时,其相干信息与在使用单重复用信道下测得的结果存在着明显的差值:即在单重复用信道下测得相干信息量为零的情况下,双重和三重复用信道下的相干信息依旧存在,这就证明了量子相干信息的超可加性。本成果对证明量子相干信息的超可加性和量子信道容量的测量方法都具有启发意义。3.基于光学系统实现了宇称-时间增强型量子传感器,比传统厄米传感器灵敏度提高了 8.86倍。宇称-时间（PT）-对称理论是为了扩展量子力学而发展起来的,所谓的PT-对称性是指哈密顿量在宇称变换和时间反演变换下的不变性,其与厄米系统的本质区别在于经典量子系统中的哈密顿量和可观测量要求是厄米的,而在PT-对称量子系统中可以是非厄米的。在这项工作中,我们构造了一个弱测量辅助的量子PT-对称系统——借助于弱测量和辅助系统,我们将一个低维宇称-时间对称哈密顿系统嵌入到一个高维厄米哈密顿系统中,在约化掉辅助系统的情况下,高维厄米系统的信道演化可以等价于低维系统的哈密顿信道演化方式,从而直接得到包括实部和虚部在内的PT-对称哈密顿量的全部能谱,并且该系统可以有效地从非对称破缺区域过渡到对称破缺区域。基于该系统,我们首次实验实现了一个PT-对称增强型的量子传感器,并研究了与提高灵敏度的最佳条件相关的各种特性。实验结果表明,将工作点设置在PT-对称系统的破缺奇异点,则这种量子传感器的灵敏度相较于传统的量子传感器提高了 8.86倍。另外,通过分别检测能量劈裂的实部和虚部,还可以得到扰动方向的信息。这项工作向非厄米量子传感器技术迈进了一大步,也为将有趣的经典PT-对称现象及其应用引入量子领域提供了范本。4.基于光学系统实现所有两点量子关联因果结构的区分。此工作分为两部分,首先利用线性光学元件设计实现了一种特殊的量子非单一信道（quantum non-unital channel）,经过该信道的两点量子时间关联将会表现出超越两点量子空间关联的特殊几何结构,这使得这两种量子关联之间的可区分参数从单值点拓展到区间范围内。从因果推断的角度看,经典的时间关联可以看作是直接原因因果结构、而空间关联可以看作是共同原因因果结构,我们的实验结果拓宽了直接实现量子因果结构区分的范围,但是这一工作的可区分范围仍然有限,并不能实现全部关联的可区分任务。因此我们工作的第二部分进一步完善了不属于可区分参数区间的两点量子关联函数,利用一个量子随机开关在光学平台上实现了一个通用型实验区分平台,它是基于一个数学的逻辑算法来运行的,当待区分的两点量子关联函数值已知时,仅对可观测量进行幺正演化操作以及为数不多的几次逻辑判断,即可实现对所有两点量子关联函数的因果结构的识别。而在经典因果推断中仅知道两点关联是无法直接实现因果结构区分,通常要对系统进行其他的操作,借助于干预手段强行改变被测系统的状态。我们的量子因果区分实验则不需要对系统进行干预,这在量子推断中也是首次实现,这两项工作共同丰富了因果推断在量子世界的应用范围。本文的创新点如下一、在实验上演示了量子相干这一资源在不同的量子信道中的动力学现象,并首次在实验上观测到量子信道中相干信息的超可加性。二、借助于弱测量实现了对低维PT-对称哈密顿信道的嵌入式模拟,此方法不仅适用于PT-对称非破缺区域,也适用于PT-对称破缺区域;并在破缺点附近设计实现了一种新型PT-对称增强型量子传感器,其灵敏度比普通的厄米传感器高出8.86倍。三、利用所搭建的偏振纠缠光子源拓展由量子关联到变量之间因果关系的直接区分范围,在实验上实现了所有两点量子关联的因果结构的区分。