量子密钥分发,是利用光子的状态作为信息载体,通过量子信道进行密钥分发的方式,其核心是安全性。不同于经典的密钥分发方式,量子密钥分发安全性由物理规律保证。量子不可克隆定理表明,对未知量子态的窃听操作会留下“痕迹”,从而使得窃听行为可被发现。当发现窃听时,将相应的密钥丢弃,用无窃听时所分发的密钥以及经典密码中的“一次一密”的加密方式,理论上就能实现无条件安全的保密通信。量子密钥分发主要包括离散变量和连续变量两大主要技术途径。基于单光子类协议的离散变量技术已经取得显著成果,但是其量子态制备和探测等技术难度极高。连续变量量子密钥分发协议的探测器可用光电二极管构建的平衡零拍探测器来实现,成本低,可靠性高。目前最受重视的连续变量量子密钥分发协议是相干态高斯调制单路协议,其量子态可使用光纤通信用半导体激光器来制备,成本和可靠性优势更为突出。虽然连续变量量子密钥分发协议在器件成熟度和稳定度上优势突出,但是在过去很长一段时间协议的安全性存在着一定的不完善性,所以其受重视程度不如离散变量协议。近些年来连续变量协议的理论安全性证明有了巨大的飞跃并得到了充分证明。目前,已经达到了和离散变量协议同样的安全性证明级别的连续变量协议有三类:基于高斯调制相干态-外差探测的单路协议,基于高斯调制压缩态-零差探测的单路协议,基于高斯调制相干态的测量设备无关协议,尤其是其中的基于高斯调制相干态-外差探测的单路协议正在快速向实用化迈进。虽然连续变量协议的理论安全性证明近年来发展很快,但仍有一些问题尚未解决,尤其是一些新型的连续变量协议的安全性证明仍存在着空白。相比于高斯调制单路协议,这些新型的连续变量协议在实验实现方式、实际安全性、协议性能方面存在着优势,例如,四态调制单路协议可以简化了数据处理难度,提高纠错效率,从而提升协议性能;测量设备无关协议可以将探测交由窃听者来进行,天然抵御所有针对探测器的黑客攻击,从而提升了实际安全性;双路协议可以使用两次量子信道,增加信道容量,从而提升了协议的性能。如果它们在安全性证明上进一步完善,将有更加广阔的发展。本论文的研究目标是对四态调制单路协议、测量设备无关协议、双路协议等三种协议的安全性分析进行研究,完善协议的安全性,并在此基础上提出协议的改进方案,提高协议的安全码率、传输距离与可容忍噪声,主要包括:1.四态调制单路协议的安全性证明:提出了基于信源监控的安全性分析方法,给出了协议在联合窃听下的安全码率计算方法,证明了协议在联合窃听下的安全性。该分析方法解决了原安全性证明中的线性信道假设的问题,在无需线性信道假设的前提下,证明了协议在联合窃听下的安全性,完善了协议的安全性证明。2.测量设备无关协议的提出及安全性证明:提出了相干态和压缩态测量设备无关协议,给出了协议的制备-测量模型和纠缠等价模型,以及协议在联合窃听下的安全码率计算方法,证明了协议在联合窃听下是安全的。数值仿真结果表明,压缩态测量设备无关协议在传输距离和可容忍噪声上比相干态测量设备无关协议要有优势。此外,还提出了一种改进的压缩态测量设备无关协议,该协议能进一步提升协议的性能,并且在现有实验条件下,有望在18km的距离下实现密钥的分发。最后,我们在组合安全性框架下证明了相干态测量设备无关协议在相干窃听下是安全的,并给出了安全码率计算方法和数值仿真结果。3.双路协议的安全性证明:分析了基于相干态-零差探测的双路协议在双模攻击下的安全性,给出了协议在所有双模攻击下的安全码率计算方法,证明了协议在联合窃听下的安全性。并且,通过数值仿真,找到了针对相干态-零差探测的双路协议的最优双模攻击方式。同时在此最优双模攻击方式下,比较了双路协议和对应单路协议的性能,发现双路协议在可容忍噪声上的优势依然能够保持。4.光放大器对连续变量协议的改进:分析了三种光放大器,相位敏感光放大器、相位非敏感光放大器、无噪线性光放大器,在连续变量协议中的应用,提出了三种改进方案。它们分别是使用无噪线性光放大器的测量设备无关协议的改进方案,使用相位敏感光放大器的基于相干态-零差探测的双路协议的改进方案,使用相位非敏感光放大器的基于相干态-外差探测的双路协议的改进方案。并且,通过数值仿真,给出了三种方案的工作范围和条件。为在实验中实现这些改进方案做了充分的数值计算与分析。