在当今的信息社会,信息安全的重要性不言而喻。小到个人隐私,大到政务,金融,以至于国防,都与其息息相关。尤其是在信息科技飞速发展的今天,如何确保信息存储与传输的安全,已然成为一个意义异常重大的课题。然而,目前被广泛应用的公钥密码体制基于复杂的数学问题,其安全性首先并未得到严格证明。而且随着二十世纪末量子信息技术的发展,特别是量子计算技术的研究与进展,对此类数学密码的安全性提出了新的挑战。为了应对新世纪的信息安全威胁,一种基于量子物理规律的新型密码学类型,量子密码学,由C.H.Bennet和G.Brassard于1984年提出,并逐渐得到世界范围内广泛的研究与应用。量子密码学的基本原理即是在量子物理定律约束的条件下,利用量子态的特殊性质,合法通信方能够容忍、检测并剔除窃听者在传输信道中任意可能的窃听,解决了远距离通信方之间密钥分配的难题。结合已被证明理论上绝对安全的“一次一密”加密方案,则可以构建理论上无条件安全的保密通信系统。相较于数学密码,量子密码学建立在物理系统之上,其理论上的“绝对安全性”受限于实际材料、器件的非完美特性,以及制备、测量过程中的偏差等不可避免的现实因素,使得量子密钥分配系统的实际安全性研究成为其实用化过程中至关重要的部分。测量设备无关量子密钥分配协议(MDIQKD),作为目前可实地部署的安全性最高的量子密钥分配协议,可以自然地抵御所有可能的针对测量端的攻击,避免了大部分实际安全隐患。所以自从提出以来,MDIQKD便受到了广泛的关注与研究。从目前的研究现状来看,主要有两个方面。第一,由于MDIQKD协议对实验系统提出了更高的要求,所以如何实现稳定、高速的MDIQKD部署则成为了一个关键的问题。第二,由于MDIQKD系统的安全性仍然要求完美的量子态制备,所以对系统的实际安全性,特别是光源安全性的研究便尤为重要。本文以MDIQKD的实用化为主要内容,针对以上两个方面,完成了包括测量设备无关类量子密钥分配协议的实验研究,器件非完美性分析和真随机数研究等,主要研究成果概括如下:1.针对实际量子密钥分配系统的测量端设备易受攻击以及通信双方编解码参考系需要时常校准的问题,我们设计并实现了参考系测量设备双无关量子密钥分配系统。该系统在免疫针对探测端所有可能的攻击的情况下,有效降低了通信者之间对参考系校准的要求,避免了在参考系校准过程中引入额外的系统开销或者安全隐患,有效提升了测量设备无关量子密钥分配技术在复杂网络环境下的可用性。2.针对编码光脉冲在实地光纤信道中的偏振敏感问题,我们在发送端增加主动扰偏装置,在测量端采用偏振态分离探测结构,设计并实验验证了环境鲁棒型测量设备无关方案。通过摒弃测量设备无关协议执行过程中的主要参考系校准过程,该方案同时消除了通信双方编码量子态相位漂移以及信道偏振扰动对系统稳定性产生的影响,保障系统在复杂实地条件以及多用户网络环境下的鲁棒性,并且有效避免了参考系校准过程引入的潜在安全性漏洞,并进一步降低了测量设备无关量子密钥分配系统在实际使用环境下的资源消耗,提高了多节点网络的部署效率。3.针对测量设备无关系统中的光源安全性问题,我们利用传统QKD系统中舍弃的基不匹配信息,实现了无需编码监测的测量设备无关量子密钥分配实验系统。该方案可以在无需对编码态误差进行监测的前提下,有效估计量子态制备非完美情况下的窃听者信息量,从而避免了对量子态制备及其监测误差的估计。此外,该方案不对原始测量设备无关量子密钥分配系统进行更改,提高了系统的实际安全性,避免了额外的资源消耗,更加适用于真实使用环境。4.为了构建稳定、高效的测量设备无关量子密钥分配系统,其核心组成部分Hong-Ou-Mandel干涉特性需要进行严格分析。针对该问题,我们构建了相关分析模型,对多种实际器件非完美特性进行综合考量,指出APD探测器的后脉冲效应将会对最终的干涉可见度有显著的作用,并将最终影响测量设备无关系统的性能表现。该工作为Hong-Ou-Mandel干涉的实际应用及测量设备无关量子密钥分配系统的分析与设计具有指导意义。5.在量子密钥分配系统中,理想、可信的真随机源至关重要,直接影响了系统的安全性与稳定性。据此,我们提出并实现了一种基于雪崩光电二极管的量子真随机数发生器方案。该方案基于时间编码,无需后处理即能产生随机性优异的无偏二进制比特序列。此外,该方案免疫环境变化,性能稳定,适用于复杂环境,并且易于集成扩展,为量子保密通信系统的搭建提供了一种全新的辅助手段。