量子态区分既是量子物理学的基础问题,也是量子信息科学中的核心任务,自上世纪70年代提出以来,得到了持续的关注和研究。量子物理学的基本理论指出,从一个量子态中获取其编码的信息必须使用量子测量,而当测量基与量子态有夹角却不正交时,测量将是一个概率过程。若要从多个非正交的量子态集合中区分某个指定的量子态,仅通过一次测量是无法实现完全准确(概率为1)的区分的。因此,如何以最大的成功概率准确地区分多个非正交量子态,在量子物理学中是一个非常重要的问题。现有量子信息科技(包括量子精密测量、量子通信和量子计算等)的各个应用层面都涉及到量子态区分。量子精密测量中,需要运用量子态区分实现对待测物理量超越经典极限的精密测量;量子通信中,接收方需要运用量子态区分获取发送方在量子态上编码的量子信息;量子计算中,计算结束后需要运用量子态区分获得最终计算结果。然而,现有的量子态区分方法应用于量子计算等多量子比特领域时面临着巨大的挑战。针对不同的优化策略,已有研究提出的最小错误区分、无歧义区分、最佳置信区分等方法可以很好地应用于量子通信等单量子比特的量子态区分问题中;但当应用于量子计算等多量子比特的量子态区分时,实验实现中通常无法避免多量子比特的全局操作。在当前量子计算的物理实现技术中,对多量子比特的全局操作往往是技术难度最大的部分,有时还需要消耗大量资源。因此面向量子计算的多量子比特量子态区分问题存在着实验上的巨大挑战。为此,本文提出一种基于子空间的量子态区分方法,通过在子空间中进行局部操作和测量,有效地避免了多量子比特区分的全局操作。我们系统分析了基于子空间的最小错误区分方法和最佳置信区分方法,并运用光量子物理系统完成了实验验证。主要贡献包括:·提出了量子态最小错误区分的子空间方法。根据对子空间局部操作的测量结果,对多量子比特量子态的全局信息进行区分,解决了在多量子比特情形下无法回避的全局操作的问题。推导求解了两量子比特态下的最小区分错误率及其对应的最优测量算子;·提出了量子态最佳置信区分的子空间方法。对多量子比特量子态的一些情形,直接在全局使用最佳置信区分无法解决,而利用子空间方法可以求解,并且在实验上同样避免了复杂的全局操作。推导求解了两量子比特态下的最大信心值及其对应的最优测量算子;·实验上验证了两量子比特情形下基于子空间的最优量子态区分的理论结果。基于量子光学平台,搭建偏振纠缠双光子源,分别验证了两量子比特情形下子空间最小错误区分方法和子空间最佳置信区分方法。相比于直接在全局空间中做区分,基于子空间的最优量子态区分方法简化了测量算子的形式,避免了对多量子比特的全局操作,降低了实验实现的难度,同时实验结果与理论推导结果保持一致。综上,我们发现,基于子空间的量子态最优区分方法能够适用于多量子比特情形并大大简化实验实现的复杂度,为量子计算等多量子比特应用提供了重要方法。