经典的公钥密码体制安全核心在于大数分解的复杂度,其基本假设是计算机无法在有效的时间内解决这些问题,但是量子计算机的出现使得经典公钥加密体制的安全性受到威胁,例如Shor算法可以有效地解决大数分解问题等。不同于经典密码系统,基于量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)协议的系统理论上能够实现信息无条件安全的传输。然而由于当前技术的有限性和实际器件的各种非理想性,使实际QKD系统与理想协议存在差距,给攻击者留下可乘之机。幸运地是,针对大部分攻击研究者们都相应地给出了它的解决方法,如测量设备无关(Measurement-DeviceIndependent,MDI)的量子密钥分发协议(MDI-QKD协议)免除了所有针对接收端边信道的攻击。尽管MDI-QKD系统实现了更强的安全性,但是实验系统复杂,需要相位和偏振参考系校准系统。参考系无关的(Reference-frame-independent)量子密钥分发协议(RFI-QKD协议)可以实现在参考系不对准情况下依然能保证密钥的稳健性,免去了复杂的校准系统。本文围绕RFI-QKD协议,提出了一种新的MDI-QKD系统的实现方案,并且将基于RFI-QKD协议的两方QKD扩展到四个用户QKD的量子通信系统中,主要内容如下:首先,介绍了量子通信的发展现状,详细介绍了基于参考系无关的QKD协议的发展史,描述了QKD协议的未来发展趋势。其次,给出了一些量子通信相关的理论知识,由经典信息的Shannon熵和互信息逐步引入了量子信息论中的von Neumann熵和Holevo界,为文中信息量和密钥率的计算做铺垫。针对量子器件的不理想性,研究了BB84协议下不可信光源的安全性,并给出了相应的解决方法。最后给出了RFI-QKD协议和测量设备无关的QKD协议的原理,并进行简要的安全性分析。第三,提出了一种新的MDI-QKD系统实现方法:Plug-play型参考系和测量设备无关的QKD系统(简称Plug-play型RFI-MDI-QKD系统)。该系统基于参考系和测量设备无关QKD协议(RFI-MDI-QKD协议),采用Plug-play型(“即插即用”)结构,消除了所有对探测器边信道的攻击,不需要复杂的相位和偏振参考系校准系统,简化了实验装置,节约了成本。同时,该系统只采用单个光源,有效解决了多个激光器源不一致所引起的安全漏洞。仿真结果表明,即使相对相位角度?具有较大的变化,最远的通信距离也可达248 km,有力推动了实际量子安全通信系统的发展。第四,提出了一种可实现多用户通信的新QKD协议:基于W态的多用户参考系和测量设备无关的QKD协议(简称W态RFI-MDI-QKD协议),并给出了相应的实验原理图。依据W态RFI-MDI-QKD协议,除了能防止探测器边信道的攻击外,同时免去了参考系严格对齐的复杂校准系统。此外,对四方RFI-MDI-QKD协议进行了安全性分析,并分析了相对相位角?对密钥率,C以及窃听者Eve获取的信息量的影响。结果表明,即使相对相位?具有较大的方差,最远的通信距离也可达148 km。这项工作向多方量子通信网络迈出了重要的一步。最后,对全文进行总结,并展望下一步的工作。