量子密码是利用量子物理去实现密码任务。与传统密码不同的是,量子密码的安全性不是以计算复杂性为基础,而是基于量子力学中的测不准基本原理及量子不可克隆定理等。量子密码可以提供无条件安全性和对外界扰动的可检测性,因而,它具有重要的战略意义和巨大的应用前景,并将在信息安全领域里发挥重要的作用。在过去三十年里,量子密码发展迅速,其理论和实验方面都取得了重大突破。理论方面,到目前为止,已提出了多种类型的量子密码协议。本论文针对量子密码协议的设计和分析展开研究,主要包括量子密钥协商、量子安全直接通信、量子认证和量子私有信息检索等内容,取得了若干研究成果。具体如下:1.基于三粒子GHZ态设计了一个三方量子密钥协商协议。在该协议中,三个参与者分别对GHZ态中不同粒子随机执行幺正操作,这使得每个参与者对最后产生的共享密钥有相同的贡献。安全分析表明该协议既能抵抗外部攻击又能抵抗参与者攻击。与Shi等人所提出的协议相比,该协议量子比特效率更高。2.基于四粒子团簇态设计了一个两方量子密钥协商协议。在该协议中,两个参与者分别对团簇态中不同粒子执行幺正操作,这确保了各方对最后产生的共享密钥有相同的贡献。通过对每一个团簇态进行测量并译码,双方可以建立一个4比特的共享密钥。安全分析表明该协议安全高效。3.针对Hsueh和Chen的两方量子密钥协商协议中发送方可单方控制共享密钥这一漏洞问题,给出了一个改进协议。通过利用幺正操作去代替对发送方的诚实性检测,使得该方案从根本上满足了量子密钥协商中各方需等贡献于共享密钥生成这一基本要求,从而,使其抗发送方攻击的安全性基于基本物理原理而非检测光子技术。与已有的另一改进协议相比,该改进协议以更少的量子资源解决了原协议的漏洞问题,提高了协议效率。4.针对Gao等人提出的受控量子安全直接通信协议中的安全漏洞问题,提出了一个改进协议。该改进协议通过增加控制方制备纠缠态的随机性,有效地修复了原协议中消息发送方和接收方不受控制方控制这一漏洞。与另一改进协议其安全性基于理想量子信道相比,我们提出的改进协议在有噪量子信道中也是安全的,因而,该协议更具有实际可行性。5.基于共享量子纠缠态提出了一个具有认证功能的量子对话协议。在该协议中,通过对共享的Bell态执行幺正操作以编码秘密消息和事先共享的身份认证码,通信双方可以实现双向身份认证和量子对话。另外,通信中产生了新的身份认证密钥,这使得通信双方在后续的量子对话中不再需要认证中心的参与。与其它具有认证功能的安全量子直接通信方案相比,该协议因其认证与直接通信相结合而更安全高效。6.针对Gao等人提出的量子私有信息检索协议通信复杂度过高的问题,通过引入置换函数,提出了一个改进协议。所提出的改进协议有两大优点:一、通信复杂度更低。置换函数的采用使得协议中所需生成的原密钥从kN个比特降低至N个比特。二、灵活性更强。当通信中出现用户关于最终密钥没有获知确定性比特的情况时,原协议中,通信双方需放弃整个通信,从头开始,而在我们的改进协议中,不需放弃通信,通过重新选取置换函数,便可产生新的最终密钥串,这有效地避免了原协议需重新通信这一弱点。跟原协议相比,我们提出的改进协议更具有实际可行性。