量子信息科学是量子力学和信息科学交叉形成的新兴学科,其研究的主要内容是通过调控和测量量子物理体系的量子态,实现远超经典技术的信息处理能力。量子信息技术的实现通常涉及到量子态的高精度的制备,操控和读出。因此,在实验过程中准确测量量子系统的量子态是实现和检验量子信息过程的必要手段。在量子信息中,量子系统的量子态通常通过量子态层析的方法确定。量子态层析是指利用对量子系统进行的一系列量子测量获得的数据来重构量子态的密度矩阵的过程。尽管量子调控和量子测量技术取得了快速发展,却仍然存在一类量子系统,我们难以通过量子态层析方案直接确定它们的状态。通常,这些量子系统对外部调控场的响应和与环境耦合都非常弱,因此在实验上难以对其进行直接和有效的测量。为了克服直接操控和测量这些量子系统的技术困难,一种直观的解决方案是利用辅助的二能级量子探针（简称为量子探针）间接测量量子系统的量子态。我们首先引入一个量子探针与待测量子系统产生弱耦合,然后设计施加在量子探针的脉冲控制序列来调制局域测量量子探针所能得到的信息,进而实现待测量子系统的量子态重构。为了说明实验方案的通用性和可行性,我们分别在离散量子系统和连续量子系统中设计了量子态的高精度重构方案。具体如下:（1）离散变量系统的量子态测量。我们选取的离散变量系统是量子比特系统,量子比特系统是量子力学中最重要的研究对象之一。在我们测量方案中,通过局域地调控和测量量子探针,我们可以得到单量子比特系统的布洛赫矢量,从而实现量子态的重构。在双量子比特系统中,我们的测量方案也可以测量得到重要的关联函数。在具体的实验实现方面,我们可以利用间接测量方案测量得到固体量子自旋系统中核自旋的量子态。（2）连续变量系统的量子态测量。我们选取的连续变量系统是量子谐振子系统,量子谐振子系统的量子态的维格纳（Wigner）特征函数包含了量子态的所有信息。在我们的测量方案中,通过对量子探针的局域控制和测量,我们可以直接测量得到自由谐振子系统和阻尼谐振子系统的量子态的特征函数在相空间中的整体分布,从而完成谐振子系统的量子态的重构。在实验实现中,我们通过选取囚禁离子的两个超精细能级作为量子探针,可以测量得到离子在囚禁势阱中的运动态。我们提出的量子态间接测量方案只需要对量子探针施加调控脉冲和测量,避免了直接操纵和测量待测量子系统的要求。量子探针和待测量子系统之间的弱耦合相互作用形式比较简单且易于实现。在整个实验过程中,我们无需调整相互作用的形式和强度。由于我们施加了脉冲动力学解耦脉冲来调控量子探针的演化,因此该测量方案对环境中慢变噪声具有鲁棒性。此外,该间接测量方案还可以推广到更加复杂的系统,如量子多体系统和多量子比特系统等。