量子信息作为交叉学科主要应用于通信与计算。在通信方面各国正朝着构建全球天地一体化的保密通信网络而努力。在计算方面,由于信息时代对于处理海量数据的迫切需求,使政府与各大科技公司投入巨量资金用以开发量子计算机。可以说量子信息的发展与人们未来的生活是息息相关的,一方面随着保密通信网络的建成,国防安全与民众隐私可以得到有力保障,另一方面量子计算机的成功实现可以改变人们的生活方式、医疗水平等诸多领域。本文所研究的工作,在量子通信与量子计算上都做出了贡献。其中白天量子密钥分发实验实现,是构建全球卫星网络必不可少的实验验证。因为卫星网络需要由多颗卫星组成,且不可能每颗卫星都处于地影区,为了完成卫星之间的量子光通信,必须具备在日光下实施量子密钥分发的技术手段。这正是本文在量子通信领域所做出的贡献。在量子计算领域本文完成了两项重要工作,分别是实现十光子纠缠态制备与任意子路径拓扑验证。多粒子纠缠一直是量子计算的核心资源,纠缠粒子的数量直接决定量子计算的计算能力。而光子作为最易操控的量子比特载体,一直得到人们的广泛关注。在本文的工作中,首次实验实现了十光子纠缠态,这对于今后量子计算机的发展有着巨大帮助。同时,由于具备了更多的量子比特资源,使得我们可以进行更复杂的量子模拟,任意子路径拓扑实验就是我们在此条件下开展的一项验证工作。任意子由于其拓扑性质,可以用来实现硬件上的可容错量子计算,即拓扑纠错。而我们的实验,正是对任意子的拓扑性质进行了实验验证。众所周知量子纠错的能力决定了量子计算的效率,而拓扑纠错由于其内在特性,使得它极可能成为普适量子计算机的选择。我们的工作可以说为将来量子计算机的发展奠定了基础。除了应用领域,本文还对量子力学本质进行了研究。量子鸽笼实验正是对量子效应的一种探索。在这项工作中,我们展现了一种新的量子效应,即3个粒子同时存在于2个盒子中,且没有两个粒子在同一个盒子中。这种量子效应改变了我们对量子物理中最基本的一些概念的理解,这些概念包括可分性,相关性以及交互性。这对于人们理解量子力学提供了一种新的途径。