量子密码学是建立在量子力学和信息论基础上的新兴的交叉学科,它的建立彻底改变了以往人们对密码学的认知。通过量子态的制备、操控、传输和测量等过程以实现各种密码学任务,相比于经典方式表现出明显的安全性优势。量子密码学的研究内容涵盖了量子身份认证、量子密钥分发、量子中继、量子隐形传态、量子秘密共享和量子物理层保密通信等。其中,量子物理层保密通信由于其有望实现通信的绝对安全而受到广泛的关注,通过实时观测误码率监测信道,从而限制了窃听者通过窃听信道获得的信息量。与量子密钥分发类似,量子物理层保密通信的安全性基于量子力学的基本原理,并假设窃听者拥有不违背物理定律的所有能力,包括无限的计算资源和技术。自2000年被提出以来,量子物理层保密通信相继发展出了基于纠缠态的BF协议、两步协议以及基于单光子的两路协议等。与量子密钥分发不同的是量子物理层保密通信并不需要通信双方事先分享一段相同的密钥,也就不需要进行密钥分发和管理,同时也无需实施复杂的后处理算法等。这一性质对于全量子网络的构建,如量子计算机之间的实时保密通信等具有重要的意义。本文研究了量子物理层保密通信的实验实现及其安全性证明。通过对光场频域统计特性的研究,我们提出了一种工作在单光子量级的多通道频率编码方案。通过提出改进的量子物理层保密通信协议,克服了以单光子为信息载体所面临的信道损耗和噪声的影响,在国际上首次实验演示了量子物理层保密通信。同时,在Wire-tap信道模型的基础上建立了量子物理层保密通信信道模型,并基于该模型给出了严格的安全性证明。本论文工作的创新点:(1)提出了一种新的频域量子统计方法。通过对单光子调制频谱特性的研究,我们揭示了单光子调制光场的频域量子统计特性。而通常采用的时域量子统计方法,如二阶关联函数和曼德尔Q参数等,仅仅能够反映光场的时域特性。相比于时域统计方法,我们的统计方法能够更直观的反映出调制频率信息,为光场的量子统计用于量子物理层保密通信提供了一种新的方法。(2)在噪声信道中实现了单光子量级的信息的直接传输。基于对调制光场频域量子统计特性的研究,我们提出了一种工作在单光子量级的多通道频率编码方案。在发送端,通过调制量子态将信息编码在被调制光场的调制频率上,在接收端对光子序列测量结果进行离散傅里叶变换解码获得调制频率信息,从而实现信息的传输。与现有的信道编码方案,如脉位调制等,相比,该方案具有传输容量大,抗噪声能力强等优点,是目前已知的所需光信号能量最低的一种通信方案。该方案在星际自由空间光通信、水下光通信、量子保密通信等领域具有重要的应用价值。(3)提出并实验验证了一种实用的量子物理层保密通信方案。通过将多通道频率编码方案与两路量子通信协议相结合,克服了量子信道损耗和信道噪声的影响。通过实时监测误码率以限制窃听者获得的信息量,从而保证了合法信道能够优于窃听信道,实现了具有信息论安全性的物理层保密通信。我们使用了16个频率通道,每次传输4比特信息,积分时间为1 ms,实现了4 kbps传输速率。实验证明了物理层保密通信同样可以实现信息论安全性的信息传输。(4)量子物理层保密通信的安全性证明。基于Wire-tap信道模型,提出了量子物理层保密通信信道模型,并基于该模型给出了安全性证明。当误码率低于阈值时,Alice和Bob之间的互信息量I(A;B)大于窃听者Eve和秘密信息的发送方Bob之间的互信息量I(B;E)。当条件I(A;B)>I(B;E)成立时,总能找到一种防窃听编码使得信息能够安全准确的传输。防窃听编码的引入使得量子物理层保密通信能够具备实际安全性,从而使得量子物理层保密通信的研究由理论转向实验。