纠缠作为量子世界中的一种奇妙现象和独特资源,在量子信息处理中发挥着重要作用.目前,在研究人员提出的可行的物理系统里,光学系统被普遍看好.光子作为量子信息载体的首席候选,一方面,它可以实现在自由空间中传输,不仅光传输速度快、与环境的耦合作用弱、易于利用光学元器件进行操控,并且光纤的应用技术发展成熟、简单、保真度高;另一方面,光子具有多个自由度,如极化、空间模式、轨道角动量、时间-能量、频率等,这些不同自由度可以同时承载信息,多个自由度同时存在纠缠的量子态称为超纠缠态,它能够提高量子通信的容量和安全性.不过,光学系统也有自己的缺陷,光子之间很难直接相互作用.利用线性光学元件来完成光学量子信息处理任务,不仅效率低、线路复杂,而且大多是非确定性的.研究发现,借助cross-Kerr非线性可以建立光子之间的相互作用,这为确定性的光学量子信息处理提供了理想的平台.本学位论文就是研究在光学系统中,利用线性光学元件和cross-Kerr非线性来实现纠缠量子态的操控,包括W态的融合、超纠缠态的浓缩、纯化和测量区分.全文分为以下四个部分:第一章,介绍了与研究内容相关的一些预备知识,包括量子态、量子测量、线性光学元件、cross-Kerr非线性效应等.第二章,首先给出了在光学系统中实现两个小规模纠缠W态的无量子位损失的融合方案,利用线性光学元件、cross-Kerr非线性以及量子非破坏X零差测量构成融合线路,从两个W态中各取一个光子进入融合线路,最后输出的W态总量子位数等于两个最初输入的W态量子位数之和,并计算了融合成功的概率.基于类似的物理思想,又提出了可同时融合三个小规模纠缠W态的无量子位损失的融合机制:找出了对来自初始W态的三个量子位实施的POVM测量的算子,构造了相应的幺正变换矩阵,得出了理论上融合的最大成功概率.作为一个例子,我们设计了在光学系统中相应的物理实现方案.在两个方案的最后,分别对比了几种融合方案的资源消耗,得出我们的两个融合方案的资源消耗较少,融合的步骤可以大大减少,实验上具有可行性.第三章,研究了超纠缠态的浓缩和纯化问题.远距离通信各方之间纠缠信道的建立是量子通信的首要条件,将超纠缠态直接应用于量子通信,可以提高远程通信的信道容量.在实际传输过程中,通信各方之间事先共享的最大纠缠态由于与环境耦合会退化成部分纠缠态甚至是混合态,纠缠浓缩与纯化是环境噪声对非局域量子系统影响后的两种有效处理途径.我们给出了在光学系统中实现光子极化-空间模-时间超纠缠态的浓缩和纯化方法.首先给出了两个超纠缠浓缩方案:第一个方案是在部分超纠缠纯态系数未知和已知两种情况下,利用cross-Kerr介质分别构造了非破坏极化和空间宇称检测QND,对三自由度部分超纠缠Bell态进行了浓缩,计算了浓缩的成功概率;第二个方案是在部分超纠缠纯态系数已知情况下,基于普适的系数分割法利用线性光学元件对超纠缠Bell态进行了浓缩,计算了浓缩的成功概率.随后,介绍了两步的极化-空间模-时间超纠缠纯化方案:第一步基于极化-空间模-时间宇称检测QND进行初步纯化;然后通过引入一些量子态的交换门完成第二步的纯化,使得超纠缠纯化效率得到很大提高.第四章,在量子信息处理中,纠缠态的测量或者区分是很关键的一个环节,为了读出信息,构建纠缠态分析器是必不可少的.超纠缠态分析是高容量量子通信的重要组成部分.我们在前人的基础上进一步研究了量子纠缠态区分,给出了两个三自由度超纠缠态分析的理论方案.第一个是极化-空间模-时间超纠缠Bell态分析方案,其核心是利用线性光学元件、cross-Kerr非线性以及X零差测量构造极化宇称检测P-QND和空间宇称检测S-QND,可以将极化和空间模Bell态完全区分.借助于区分开的极化Bell态信息,可以将时间自由度Bell态完全区分.基于类似的物理思想,我们实现了极化-空间模-时间GHZ态分析.