保密通信的安全性深刻关系到国家安全,是任何国家、政府、部门、行业以及个人都高度重视的核心问题。现用的经典密码体制主要基于对称密钥密码和公钥密码,上个世纪八十年代以来量子计算机和量子算法概念的提出和研究的迅速深化,对经典密码体制的安全性提出了巨大的挑战。香农(ClaudeElwood Shannon)证明了一次一密密码体制在理论上可以达到无条件安全,前提是合法通信双方可以通过安全的信道,共享与明文等长、且只使用一次的真随机密钥。量子密码狭义上也被称为量子密钥分配,可以为远程通信双方提供无条件安全的密钥协商。其安全性基于量子力学的基本原理(未知量子态的不可克隆、量子态测量塌缩、量子不确定原理等),不依赖第三方窃听者的计算能力和存储能力,因而可以达到密码学意义上的无条件安全。量子密钥分配结合一次一密的密码体制便可以进行无条件安全的保密通信。量子密钥分配技术是量子信息最为成熟的技术,而量子密钥分配的安全性是量子密钥分配的核心。物理学家和密码学家早期关注的是量子密钥分配的协议安全性,目前大部分量子密钥分配协议在最普适的相干攻击下的安全性已经得到了完整的证明。但是量子密钥分配系统在实际应用中存在着诸多问题,例如实际应用的是弱相干态光源而非单光子源,量子态编解码器存在衰减和损耗,红外单光子探测器通常工作在门控模式下等。近年来,国内外的学者已经注意到这些实际器件的非理想特性会影响和弱化密钥的安全性。本文总结了博士期间本人在量子密钥分配安全性所取得的研究成果,主要包含了以下几个方面:1.基于量子维度目击不等式所表征的非局域性,我们首次提出了半设备无关随机数扩展方案,该方案的随机性仅依赖于设备的维度,而对量子态的具体制备和测量不作任何限制。同时我们首次证明了设备无关和半设备无关方案的等价特性,并分析了半设备无关方案中存在的有偏向随机数输出等一系列基本性质。2.分析了分束器的波长相关特性,基于熔融拉锥技术的分束器分束比随着激光器的波长呈现周期性的变化,利用此规律首次提出了偏振编码系统的波长相关攻击模型,利用不同波长的激光控制接收端测量基的选择,并给出了实验验证。3.实际的调相系统中调制器总是存在损耗,相应的量子态调制为非平衡量子态,而之前的安全性证明在此模型下是不适用的。基于纠缠提纯模型,首次提出了光源的虚拟等价模型,分析了此实际系统的安全性,并给出了非平衡参数下的密钥率公式。4.实际的光学器件及电子学控制器件都存在着一定的调制误差,而这些调制误差是窃听者所不能掌握的。基于此非理想特性,给出了实际相位调制器的调制误差模型,并首次讨论了调制误差在给信道引入误码的同时也降低了窃听者的信息量。5.在协议的安全性分析方面,差分相位类协议由于系统调制简单,从而在未来高速的量子密钥分配方面有潜在的应用价值。利用量子信息论的熵连续性,首次证明了 DPS协议和COW协议在单脉冲攻击下的安全性。6.诱骗态量子密钥分配协议的安全性证明主要是基于密钥资源无穷长的情况,而实际量子密钥分配系统在系统运行时间有限的情况下只能传送有限长度的密钥。针对实际系统中得到的计数率和误码率存在的统计涨落,给出了诱骗态量子密钥分配协议在密钥有限长时的安全性。