精密测量在精确计时,信息处理和高灵敏度探测等诸多领域都有重要应用。由于测量的精度受限于标准量子极限（Standard Quantum Limit,SQL）,量子增强测量应运而生,利用压缩或纠缠等量子资源提升待测参数测量精度,突破SQL。在精密测量领域,许多物理问题都可以转化为对相位的测量,因此相位测量研究一直广受关注。量子干涉仪优势为相位灵敏度能突破SQL,但是与经典干涉仪相比,相敏粒子数少,实际应用受限。针对这一问题,本文提出一种新型的量子增强干涉仪,其相位测量灵敏度能突破SQL,且相敏粒子数与经典干涉仪可比拟,并研究其在实际测量中的应用。具体内容如下:1.提出了一种量子增强的马赫-曾德尔干涉仪（Mach-Zehnder Interferometer,MZI）,其既兼容传统干涉仪的优点,又融合了量子增强的量子优势。相比于传统的MZI,除了输入端的量子态注入以外,同时输出端利用非线性分束器实现对传统MZI的量子增强读出。相比于能突破SQL的SU（1,1）干涉仪,相敏粒子数低的问题得以解决。2.基于量子增强MZI,研究了其在相位估值中的应用。本论文分线性相位估值,非线性相位估值,线性相位和非线性相位同时估值三个方面进行了详细研究。在线性相位估值部分,使用相位平均的方法剔除了因输入态相位信息引入的增量,获得了最终的相位精度极限—量子克拉美罗界（Quantum Cramér-Rao Bound,QCRB）。并且比较了无损和有损情况下平衡零拍探测和强度探测的相位灵敏度。不考虑损耗情形下,两种探测方案的结果均可以突破SQL,接近QCRB。存在损耗,平衡零拍探测优于强度探测,可以通过优化增益参数缓解损耗的影响。在非线性相位估值部分,相比于线性相位,灵敏度有所提高。在线性相位和非线性相位同时估值部分,相比于单独估值,同时估值的精度降低,但依然可以突破SQL,其在分布式量子传感和量子网络等方面有潜在的应用价值。3.光子和原子是精密测量领域两种不同的测量探针,它们有各自的应用场景。光-原子混合干涉仪集两种不同的测量探针于一体,既可以测量光子相位敏感的物理量,也可以测量原子相位敏感的物理量。本论文进一步将量子增强的MZI从光-光体系拓宽至光-原子混合体系,提出了一种量子增强的光-原子混合干涉仪。原子相位是光-光体系无法测量的,它可以通过原子的AC-Stark效应实现。一束频率相对原子跃迁能级远失谐的光场照射到原子系综上时,使原子自旋波产生一个关于光场光子数的相位,而光场无吸收的透射出去。利用量子增强光-原子混合干涉仪,通过对原子自旋波相位的测量实现对信号光场光子数的量子无损（Quantum Non-Demolition,QND）测量。本论文研究并给出了实现高品质QND测量的条件,实验可行性和损耗影响。