量子密钥分配(Quantum Key Distribution,QKD)技术能够使得合法的通信双方远距离共享安全密钥,结合“一次一密”密码算法,可以实现理论上无条件安全的保密通信。然而,现有QKD系统的安全密钥率普遍较低,一定程度上限制了QKD技术的应用发展。相比于传统QKD协议,高维度量子密钥分配(High-Dimensional Quantum Key Distribution,HD-QKD)协议利用光子的高维度自由度进行编码,提高了光子编码信息的效率,是提高QKD系统安全密钥率的有效途径之一。目前HD-QKD协议已具备严格的理论安全性证明,受到了学术界的广泛关注和深入研究,但是其实际安全性分析的工作尚不完善,而协议的实际安全性对于HD-QKD的实际应用是至关重要的。因此,本文围绕HD-QKD协议的实际安全性展开研究,分析了实际系统中的不完美性对于HD-QKD协议实际安全性的影响,主要工作如下:1、波长攻击下HD-QKD协议的实际安全性分析。实际的分束器与波长之间可能存在较强的关联,不同的入射光波长具有不同的分束比。本文针对时间—相位HD-QKD方案设计了一种具体的波长攻击实施方案,计算了该攻击方式引入的误码率,进而分析了HDQKD在波长攻击下的实际安全性。结果表明,当分束器分束比的波长相关性较强时,窃听者可以在不增大量子比特误码率的前提下获得密钥信息。本文也证明了波长攻击是一种对任意维度QKD方案都普适的攻击手段,并且维度较高的QKD方案更容易受波长攻击的威胁。最后,计算论证了采用非平衡选基方案的HD-QKD方案相比于平衡选基方案更容易受波长攻击的威胁。2、非随机性对于HD-QKD协议实际安全性的影响分析。QKD系统的安全性需要真随机数的保证,如果随机数信息因系统的实际不完美性被泄露,窃听者就能窃取密钥信息,对系统的安全性构成威胁。基于非随机性模型,本文分别给出了HD-QKD协议在单光子源无信号衰减、单光子源有信号衰减以及实际弱相干态光源条件下的安全密钥率公式。分析结果表明,对于任意维度,随机数信息泄露导致的非随机性都会使得安全密钥率下降;当存在信号衰减时,非随机性会被放大,安全密钥率急剧下降;对于采用实际弱相干态光源的诱骗态HD-QKD方案,即使是很微小的非随机性,安全密钥率也会随着传输距离的增大而急剧降低。3、强度调制器的有限消光比对于HD-QKD协议实际安全性的影响分析。实际强度调制器的消光比是有限的,无法将入射光衰减至零强度,因而总会引入一定噪声,从而提高了传输过程中的误码率,对系统的实际安全性造成影响。本文构建了HD-QKD中强度调制器消光比的数学模型,基于该模型给出了HD-QKD协议中量子比特误码率和安全密钥率的表达式,并对安全密钥率进行了数值模拟。模拟结果表明,当考虑了强度调制器的有限消光比之后,安全密钥率有所提高,并且维度越高,提高越明显,显示了HD-QKD协议利用高维度自由度进行编码的优越性。另外,本文也分析了强度调制器的有限消光比和光源强度涨落对HD-QKD协议实际安全性的联合影响,发现考虑了强度调制器的有限消光比之后,安全密钥率均有所提升,且涨落幅度越大提升越明显。