量子保密通信是量子信息和计算机科学完美结合的一个交叉领域,它利用量子理论为实现真正的保密信息交换提供了一个理论上无条件安全的方法。量子保密通信领域正蓬勃发展,从1984年Bennett和Brassard提出以他们命名的BB84协议这一经典的量子密钥分发协议(QKD)以来,量子保密通信逐渐从实验室验证、短距离、低成码率的QKD模型,发展成为网络化、远距离,以及高效率高成码率高稳定性的实用系统。目前国内外已有许多公司对QKD系统进行了商业化生产,国内的QKD网络的覆盖范围也逐渐扩大,比如目前已运行的合肥网、济南网以及2016年预汁开通的QKD京沪干线。伴随实际QKD系统的逐渐发展和成熟,量子安全性问题以及现实系统的安全性漏洞也逐渐被大家所认识和重视。目前已逐渐提出了一些针对现实系统漏洞的量子黑客攻击方案,而且其中一些方案实现了简单而有效的攻击系统演示。这些攻击方案扎根于现实QKD系统和理论系统假设之间的偏差,例如量子理论中不可克隆定理要求光源为单光子源,而现实系统中很难产生单光子源,一般简单以弱相干光源代替。然而其中的多光子成分则可以提供量子比特的完美备份,从而泄露信息给窃听者。本论文作者在博士期间主要的工作主要是对QKD系统的研究,主要集中在对安全性相关的研究工作,包括对光源子系统的漏洞分析、攻击方案设计和演示,以及对测量设备无关的QKD (MDIQKD)协议的系统集成化、实用化设计。本文主要介绍QKD相关的理论基础、实验技术,以及本人在博士期间的相关工作。在光源攻击方面,文中分析了相位非随机化光源的量子密钥分发系统所存在的安全性漏洞,以及如何利用此漏洞设计攻击方案和进行攻击演示。该工作证明了相位随机化在提取安全密钥过程中的重要性。在测量设备无关QKD(MDIQKD)方面,研究MDIQKD的关键技术和实现高速、高性能、高稳定性MDIQKD系统,首次实现了世界最远距离室内MDIQKD实验,以及外场的实验验证。该工作是在QKD领域中非常关键的一步,刷新了量子通信安全传输的世界纪录。该工作中实现的高质量Bell态测量技术也为其它量子通信任务提供了一份技术参考。在此基础上,文中进一步介绍了本人后续的MDIQKD网络系统的工作,利用光开关切换各个节点,进行了三节点的星形MDIQKD网络。MDIQKD本身具备扩展为星形网络的特点,而且可以将安全性不依赖的探测设备放在星形网络中心被各星形网络外围的各节点共享。和MDIQKD相关,文中也介绍了和MDIQKD类似的探测设备无关QKD协议即DDIQKD,本人对DDIQKD进行了相位系统设计,相比偏振系统,相位编码DDIQKD系统更容易在光纤链路中实现。最后进行了该协议的实验验证和高速系统测试,相比传统QKD系统,我们得到了相同量级的成码率并提高了安全性能。