量子通信具备理论上的无条件安全性,已经被视为未来保障信息安全的有效方法。基于量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)的量子保密通信是其中一种主要的应用形式,它能够使两个合法的通信者在存在窃听的条件下安全地协商密钥以保证通信的安全。但在实际实现中,实用化QKD系统容易遭受多种黑客攻击,而测量设备无关量子密钥分发(Measurement-Device-Independent Quantum Key Distribution,MDI-QKD)协议不仅具备有效消除探测器端边信道攻击的能力,还可以结合诱骗态方案解决弱相干光源遭受光子数分割攻击的问题,因此MDI-QKD具有更高的安全性和实用性。然而,MDI-QKD协议的密钥率还需进一步提高,高维MDI-QKD方案是提高密钥生成率的可行途径之一,它可提高MDI-QKD方案的通信效率,对于MDI-QKD实用化具有重要意义,也进一步促进了量子保密通信技术的发展和应用。本文主要研究高维MDI-QKD方案的设计和性能评估。第一,简要叙述了量子通信的基本概念及其发展现状,并对量子通信未来的发展作出了展望。第二,给出了量子通信相关的物理基础知识,分析和总结了量子力学的基本原理(量子态的叠加原理,单量子态不可克隆定理和海森堡不确定性原理)、量子比特及其逻辑运算、BB84协议、B92协议,以及基于时间反转的EPR QKD协议。第三,给出了量子态融合与分割的基本原理和物理实现方案,根据量子态融合与分割的特性,设计出与之相匹配的四维光子态模转换线路,通过连接量子态融合/分割模块和对应的模转换线路,实现了在同一信道中单次传输两个量子态。采用量子态融合与分割方案进行信息的编码和解码,并基于单光子源和即插即用结构,提出了一种高维MDI-QKD协议,该协议可被证明是安全的。通过对其实现方案进行仿真,并将其与同等条件下的低维MDI-QKD方案进行比较,在不同的偏振失配条件下,该方案密钥生成率增长了2~10倍,安全通信距离也增加了6~60 km。这表明基于量子态融合与分割的MDI-QKD方案能够有效提高量子保密通信的性能,对于MDI-QKD实用化以及构建大规模量子保密通信网络具有重要的参考价值。第四,研究了一种基于两光子偏振和time-bin超纠缠的Bell态分析器,其具备完整识别16个超纠缠Bell态的能力,并设计了一种单光子态的偏振和time-bin双自由度编码方案,由此提出一种基于高维Bell态分析器的MDI-QKD协议。将高维Bell态分析器应用于MDI-QKD系统的Bell态测量端,使得通信双方能够采用双自由度编码方案,增大了系统的编码容量和信息传输量,同时也提高了Bell态的识别率,因而提高了系统的比特利用率。该协议也被证明是安全可靠的,同时其实现方案在现有条件下易于实施。该方案的提出旨在寻找改善MDI-QKD性能的新途径,即采用多自由度编码方案和提高系统的Bell态识别率,具有一定的可行性。第五,概括了全文已完成的工作,并对本文工作有待完善的方面作出了说明。