近年来,量子计算不断取得突破,使基于数学计算复杂性的非对称密码体制面临严峻挑战。量子比特由于具有不可克隆和不确定性的物理特性,在作为信息载体时,能够有效检测窃听。量子密码将量子特性和现代密码学相结合,通过量子力学方法实现密码学应用,具有理论上无条件安全性,是抵御量子计算攻击的关键技术。量子安全直接通信（Quantum Secure Direct Communication,QSDC）是量子密码的重要分支,由于可以直接利用量子信道进行秘密消息传输,而备受关注。现有的研究存在以下问题:一是目前普遍采用的纠缠态方案虽然信息容量更大,但是应用相对困难;二是利用经典信道传递辅助信息仍存在安全隐患;三是针对QSDC协议的安全攻击层出不穷,安全问题不容忽视。身份认证是保障QSDC协议安全的重要前提,本文对基于身份认证的QSDC协议展开研究、设计、分析与验证,分别提出单向和双向身份认证QSDC协议,主要研究成果如下:（1）针对QSDC协议应用困难的问题,本文提出的协议采用单光子态作为信息载体,相比纠缠态方案更易于在现实场景中的实现和应用,协议中采用单光子分组编码和幺正变换加解密信息,通过效率分析,相比其他方案拥有较高的量子比特效率。（2）针对经典信道存在的安全隐患问题,本文提出的协议与其他方案不同的地方是,除了认证请求的发起和响应信息在经典信道交互,其余都是通过量子信道进行通信,无需借助经典信道额外共享辅助信息,最大程度上减少经典信道的使用,能够有效规避经典信道的安全风险。（3）针对QSDC协议的安全攻击问题,本文分析了常见的假冒攻击和拦截-重放攻击,一方面通过概率计算对协议的安全性进行分析,证明协议能够有效抵抗上述安全攻击,及时发现窃听,保证秘密消息安全交互;另一方面利用形式化方法对协议的安全性进行验证,通过概率模型检测工具对协议进行建模和评估,得到的结果与概率计算结果相同,验证了安全结论。