无源光网络(Passive Optical Network,PON)技术是打破“最后一公里”瓶颈的核心技术,但它的安全性问题一直没有一个很好的解决方案。因为在通信过程中,光线路终端始终处于主动地位,他可以随时获取用户光网络单元发送的任何信息。考虑到量子通信独特的保密性特点,本文将量子密码通信技术引入到传统的PON网络,为PON网络安全性提供了一种有效的解决方案,并提出了量子虚拟专用网(Virtual Private Network,VPN)的新概念。本文围绕PON网络的结构和特点,致力于设计适合PON网络的量子保密通信协议,并在此基础上研究量子VPN协议及其实验方案。本文主要取得了以下创新性成果:在量子密钥分配方面,(1)基于Greenberger-Home-Zeilinger态,提出了一个高效非对称量子密钥分配方案,并详细分析了该方案的安全性。相比于其他方案,该方案的具有更大的信道容量和效率。(2)基于改进的PON网络模型,提出了一个具有认证功能的高效量子密钥分配协议,从信息论角度证明了该方案的安全性。方案能满足光线路终端和光网络单元之间以及任意两个授权光网络单元用户之间的密钥分配。具有的身份认证功能可以将授权用户构建成一个VPN,结合适当的量子加密算法,从而实现任意用户间的量子保密通信。在量子秘密共享方面,基于多目标量子远程通信,提出了一个新的可以直接共享量子态信息的量子秘密共享协议。与传统的量子秘密共享协议相比,该方案降低了秘密的集中度,不仅可以直接共享量子态信息,而且安全性高。将协议应用到改进PON网络结构中,提出了一个具有认证功能的量子秘密共享协议,可以实现PON网络中用户间量子秘密共享和秘密信息传输,实现量子VPN。在量子安全直接通信方面,基于改进的PON结构,提出了两个具有身份认证功能的量子安全直接通信方案,都可以满足任意两个授权用户间的量子安全直接通信,为PON网络中量子VPN的构建提供了另一个有效的解决方案。提出的两步量子安全直接通信的信息论分析为该方案提供了安全性证明方法。