光子系统在量子通信中有非常重要的应用。在远程量子通信中，量子中继器能够链接距离较远的通信节点，抑制环境噪声对光子信号的影响，提高远程量子通信的保真度和安全性。光子系统的多个自由度同时应用于量子通信能够提高远程通信的信道容量和安全性。本项目主要研究高容量量子中继器中光子系统多个自由度的量子操控问题。研究内容主要包括：基于腔量子电动力学非线性光学作用的光量子纠缠门、光子系统两自由度和三自由度的超纠缠纯化和浓缩、光子系统两自由度和三自由度的超纠缠转移。通过本项目研究获得了以下成果：一、利用金刚石NV色心-光学腔系统中的腔量子电动力学原理构建了鲁棒的两光子极化和空间模式两自由度超并行量子控制相位门和三光子极化和空间模式两自由度超并行量子控制交换门，能够将影响保真度的主要因素转化为可探测的光子信号，用于构建高容量量子中继器。二、利用线性光学元件构造了未知系数的光子系统极化、空间模式和时间三自由度超纠缠Bell态浓缩方案和超纠缠GHZ态浓缩方案；利用线性光学元件构造了已知系数的光子系统极化、空间模式和时间三自由度超纠缠Bell态浓缩方案；利用腔量子电动力学设计了预报式纠缠纯化方案；这些方法能够抑制远程量子通信中噪声对超纠缠光子系统的影响。 三、在光子系统两自由度和三自由度的超纠缠转移方面，重点研究了超纠缠态测量这一核心问题。利用线性光学元件，通过引入时间序列设计区分16个超纠缠Bell态的超纠缠态测量方案。通过辅助其他自由度纠缠态设计区分16个超纠缠Bell态的超纠缠态测量方案。四、针对信道噪声问题，利用线性光学元件和光子系统两个自由度设计了抗联合噪声的量子密钥分发方案。