由于光子的轨道角动量态（OAM）理论上的取值可以从负无穷到正无穷，且不同轨道角动量态间相互正交。因此近年来受到学术界和产业界广泛的关注。本文针对光子轨道角动量态的特性，研究了它在信息处理与传输中的应用及相关问题。其主要研究工作和创新点如下：1)研究了量子多用户通信技术，提出一种基于光子轨道角动量态(OAM态)的多用户通信方案。该方案利用了光子不同轨道角动量态的正交性，且假设发送方和接收方共享一对纠缠轨道角动量态。在此基础上，采用如下步骤完成量子通信过程：首先，每个发送方把自身需发送的信息调制成不同的OAM态并叠加；然后，通过空间光调制器将其调制到发送方的纠缠光子上，使得发送光子同时携带了所有用户的信息；最后，接收方通过符合计数的测量，并按照特定接收规则，准确地提取出每个发送方的信息。数值仿真和实验结果表明该方案的可行性。2)首先，研究了压缩感知技术，提出一种基于信道编码的压缩感知（CS）测量矩阵的构造方法。它以信道编码中的校验矩阵为基础，用性能优越的确定性测量矩阵取代常规的随机测量矩阵来获取所需的测量值。研究结果表明该方法具有构造速度快、需要的物理内存少、硬件易实现等特点，且可获得与随机测量矩阵接近的恢复结果，甚至有所改善。然后，研究了基于压缩感知的关联成像技术，提出一种基于压缩感知的关联成像实现方法。在应用压缩感知后，使用不同稀疏基（分别使用离散余弦变换和离散小波变换作为图像物体的稀疏基），使得热光源关联成像恢复质量相对于不使用压缩感知的原始算法均有超过10dB的峰值信噪比改善；使用不同测量矩阵（正态分布随机测量矩阵和基于LDPC码构造的确定性测量矩阵），使得轨道角动量纠缠关联成像恢复质量相对于不使用压缩感知的原始算法有超过5dB的峰值信噪比的改善。3)研究了大气湍流对关联成像质量的影响，提出一种利用信道编码方法来降低大气湍流对量子关联成像质量的影响、提高量子图像传输质量的方案。由于OAM态与空间函数分布相关，在自由空间传输时不可避免地受到大气湍流的干扰。论文对此做了如下工作：首先，分析了大气湍流对基于轨道角动量态的关联成像质量的影响；然后，将关联成像中物体信息作为发送信息，与参考臂符合计数测量值作为提取信息（即接收），大气湍流的干扰作为信道噪声，提出了一种通过纠错编码方法减小大气湍流对关联成像质量的影响的方法；最后，通过数值仿真和实验手段验证了该方案。研究结果表明，利用信道编码方法，可显著提高关联成像质量。4)研究了量子信息处理与传输平台，完成了基于光子轨道角动量态纠缠的实验平台构建及平台验证方案，给出了核心器件和重要光学元器件的描述，并通过贝尔不等式违背实验和双缝干涉实验分别验证了基于光子轨道角动量态的纠缠特性和非定域性。