随着量子信息和计算机领域的高速发展,其学科交叉产生的结晶,量子通信,成为了近年来相关领域的研究热点。其中,量子密钥分发(QKD)作为量子通信的关键方向,在量子力学的基础上,为保密通信提供了理论上的解决方案。因此,与传统通信方式相比,量子密钥分发具有物理本质上的先天优势,极适合应用于政府机关、金融机构、学校等需要高安全性的保密通信环境中,成为未来网络安全通信建设中不可缺少的一环。早在1984年,BB84协议作为世界上第一个QKD协议就已经被提出。自此以后,QKD领域在理论和实验角度,向着更高成码率、更远安全传输距离的方向日新月异地发展,成为了量子通信领域中实用化程度最深,覆盖范围最广的方向。目前,随着商用QKD系统的应用及相关网络建设的日益成熟,我国已经成功测试并投入使用了合肥网、济南网、量子京沪干线,以及“墨子号”量子实验卫星。与此同时,QKD系统的发展仍然存在着不少问题。例如,在理论上,基于BB84协议的若干方案,由于其安全性是建立在单光子的基础上,对信道损耗非常敏感,使其点对点通信距离较短。而测量设备无关的QKD协议(MDIQKD),虽然理论上可以将通信距离增加一倍,并且可以完美克服测量端的安全性漏洞,但是实用过程中,其对通信双方发送的双光子干涉有较高的要求,所以实际成码率不高。从实验的角度来看,目前偏振编码方式在诸多QKD协议中广泛使用,然而其难以保证长距离传输之后偏振编码的保真度,而相位编码方式虽然在长距离传输中,对环境的抗性有优势,但是由于其采用干涉解码的方式,使得光信号存在3dB的损耗,这些问题都阻碍了 QKD实用化进程的推进,亟待解决。本论文作者在博士期间主要针对光纤环境的QKD系统目前存在的问题进行研究,主要集中在更高速率、更高成码率、更远安全传输距离的QKD系统,以及相关新型理论方案和协议分析。本文主要分析了基于MDIQKD结构的相关理论基础、实验技术,介绍了本人参与的系统设计和搭建以及实验过程。其中,相关理论基础包括时间比特-相位编码的MDIQKD理论、双场QKD理论(Twin-Field QKD,TFQKD)、发送选择 QKD 理论(Sending or Not Sending QKD,SNSQKD)、相位匹配QKD理论(Phase Matching QKD,PMQKD),并且本人通过对协议的实用化改进,使得相关理论可以在实际中应用。在实验和系统方面,文中报告了本人参与的QKD系统的技术设计、系统搭建的过程,克服了超远距离系统中的相位扰动问题,实现了超远距离系统中的单光子干涉,从而完成了高速、高性能、高稳定性、结构简便的适用于相关新型理论的通用型QKD系统,并成功完成了PMQKD协议的实验。该实验是首次实现了世界最远距离室内的QKD实验,突破了 QKD理论成码率极限。该工作创造了量子通信安全传输的世界纪录,大大推动了 QKD的实用化进程,为未来的量子通信网络建设提供了技术参考和技术积累。