量子通信是利用量子物理原理,来实现量子信息处理与传递的一门学科。它的一个重要研究方向是量子加密技术,该技术可以保护通信双方的信息不被第三者窃听。而量子加密技术中最著名应用的是量子密钥分发(quantum key distribution,QKD),该技术已经实现商用化。QKD的安全性由量子物理正确性来保证,即量子不可克隆原理——任何未知的量子态都不能被精确复制。自1984年,由Bennett和Brassard提出的BB84协议开始,QKD的理论安全性与实验研究都有了长足的发展,其中的代表性工作包括,GLLP(Gottesman-Lo-Lutkenhaus-Preskill,以提出者首字母命名)框架,诱骗态协议,测量设备无关 QKD(measurement-device-independent QKD,MDI-QKD),“京沪干线”量子通信网络以及“墨子号”量子卫星等等。而未来亟需解决的是QKD网络的实用化问题。首先是现实的安全性问题,其次是如何实现距离更远,码率更高,成本更低的QKD网络。现有QKD网络是基于可信中继来实现的,可信中继存在被窃听者攻击甚至控制的风险,这将带来安全性隐患。基于不可信中继的MDI-QKD网络可以解决这一问题,相对昂贵和复杂的探测设备在中心节点,而用户节点只需要发送端设备,发送端可以利用近来发展迅速的微纳光子技术集成在芯片上,降低用户的使用成本。作为第一步,我们进行了两用户的芯片化MDI-QKD实验,并将系统频率提升至1.25 GHz。为此,我们发展了 GHz的高干涉对比度光源技术与GHz调制信号产生技术,并将发送端(除光源外)集成到一个硅基光子学芯片上。最终,我们实现了同样距离下,最高码率的MDI-QKD实验,为将来芯片化MDI-QKD网络奠定了基础。在已有的QKD系统中,隐含假设地认为经典后处理单元是可信的,这一假设在现实中很难保证。同时,隐蔽信道的存在(如存储攻击)也威胁着QKD系统的安全。我们在对抗隐蔽信道和不可信设备的MDI-QKD实验中,利用经典安全多方计算中的可验证私密共享协议,实现了 MDI-QKD通信双方中一方拥有一个不可信量子设备和一个不可信经典设备的情况下的安全通信,还给出了如何实现多方后处理的方案。同时,还发展了滤波光源的干涉技术,以及两级调制偏振态的新技术。该工作为对抗不可信后处理单元的QKD系统提供了蓝本。除了 QKD的研究之外,本人还设计了用于多光子纠缠和玻色采样的多通道符合计数器,解决了商用产品通道数与计数率不够的问题,除此之外,还能实时给出全符合的计数。利用八相时间数字转换器和硬件上符合方案,实现了 32通道,80 MHz计数率的符合计数器。该工作已在十光子、十二光子纠缠和二十光子玻色采样实验中得到应用。