一个世纪以来,随着计算机和互联网技术的飞速发展,安全的通信成了当前信息社会必不可少的组成部分。目前,为我们日常生活中的通信提供安全性保障的主要是经典加密技术,其安全性是基于算法的计算复杂度。但是,近年来超算技术以及量子计算机的崛起,对于经典密码的破解能力不断提升,现行的通信网络面临着严峻的威胁。与此同时,社会和民众对于更加安全的通信技术的需求愈加紧迫和强烈。量子通信,尤其是量子密码,为安全通信问题提供了一个全新的解决方法。与经典密码学不同,量子密码能够提供信息论层面可证明的无条件安全性,此安全性基于量子力学的基本原理,不依赖于数学计算复杂度。量子密码的核心是量子密钥分发,它可以在用户之间实时共享安全密钥,再结合一次一密的加密算法对明文进行加密,从而实现安全的通信。自1984年第一个量子密钥分发协议由Bennet和Brassard提出以来(BB84协议),经过30几年的发展,量子密码已经从理论化走向实用化阶段。然而,现有的量子密码方案从理论走向实际时,其性能如安全性、成码率、传输距离等不可避免地受到实际情况的限制。本论文介绍了本人在攻读博士学位期间,对量子密码中主流协议进行性能提升的一些工作,主要可以分为以下几个方面:1.基于BB84协议的新型量子密码方案设计与实验验证。目前主流的BB84型量子密钥分发协议是基于弱相干态光源的3强度主动式诱骗态方案。其缺点在于弱相干态光源中含有的大比例的真空态成分限制了密钥的传输距离,而且主动式诱骗态调制可能会引入额外的侧信道漏洞和强度起伏,从而降低系统的实际安全性。因此,通过在标记单光子源中设计特别的探测结构,我们提出了一种新型的被动式诱骗态方案,并进行了相应的实验验证。此外,在此基础上我们将被动式诱骗态方法引入到量子数字签名中,完成了等效200 km的被动式量子数字签名方案的实验验证。2.新型测量设备无关量子密钥分发协议的方案设计。自测量设备无关量子密钥分发协议被提出以来,大多考虑有限长效应的实际系统采用的是非偏选基主动式诱骗态方案。我们将普通的3强度非偏选基诱骗态方案改进为3强度偏选基方案,再结合集体约束和联合估计方法,使得成码率和传输距离大大提升。3.新型双场量子密钥分发协议的方案设计。双场协议克服了成码率线性依赖于信道衰减线的限制,使其变为平方根依赖关系,这是量子密码发展过程中的一个重大突破。我们基于一种改进的双场方案,即发送与否双场量子密钥分发方案,将修改相干态光源替代弱相干态光源引入双场协议中,提升了成码率和传输距离。