量子纠缠作为量子网络的核心资源,能够用来实现量子安全通信,分布式量子计算和量子传感。得益于光子的高重构性和鲁棒性,其已被广泛应用于这些应用中。本文中,我们利用线性光学系统制备和操纵纠缠光子,对量子网络和量子传感的关键问题展开相关研究。第一章中,我们总览了当前量子网络及其关键技术的研究进展。第二章中,我们理论和实验研究了线性光学系统的几个关键方面,包括自发参量下转换过程中的相位匹配、对比度和收集效率,以及寻常和非寻常光之间的频率关联。全光量子中继方案被证明可以减小量子中继对量子存储的依赖。第三章中,通过引入后选择贝尔测量,我们削弱了该方案对纠缠光子数量的要求。实验上,我们通过12光子干涉仪实验研究了全光量子中继方案。结果显示在500mW和700mW泵浦光功率下,与原始的量子中继器相比,全光量子中继器使得通信双方建立纠缠的成功率提升了 1.74和1.89倍。量子纠错和纠缠蒸馏被证明可以克服量子纠缠态在传输和处理过程中受到的环境噪声的影响。第四章中,我们通过操纵10光子干涉仪在实验上制备了 9比特的Shor码,演示了其勘错和容失性能。此外,我们设计并演示了两种相互作用下的量子系统重置协议,提供了一种新的纠错方法。最后,通过结合确定性和概率性纠缠蒸馏方案,我们设计并实验演示了一种更有效的纠缠蒸馏方案,其蒸馏概率高于确定性蒸馏概率极限。不完美的测量设备会使我们在纠缠判定上得到错误的结论,从而破坏了量子通信的安全性。在第五章中,我们演示了 3体GHZ态的与测量装置无关的纠缠目击。更值得关注的,通过设计纠缠目击算符,我们演示了具有精细结构的类GHZ态的纠缠目击。该研究对实现安全的多方量子通信具有重要意义。光量子传感技术可以用于测量不可直接观测的物理量,得到超越经典极限的精度。第六章中,我们研究了不同模式和粒子纠缠结构下的分布式量子传感,首次验证了纠缠在模式和粒子中对于测量精度的增益作用。接着,通过结合并行纠缠和粒子相干性,我们研究发展了可以进一步提高精度的组合方案。最后,通过结合贝叶斯自适应测量和最大似然测量方法,我们发展并实验研究了一种分布式全周期量子相位测量方案。最终精度极限优于以往的所有研究结果,甚至Holevo 极限。