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20世纪初经过一大批天才科学家的努力,量子力学的基本框架已经搭建完成,并且人们已经利用量子力学在现实社会中取得了非常成功的应用。1984年,Bennett等人提出了量子密钥分发的理论,即可以利用量子力学的基本原理实现绝对安全的密钥分发。在此基础之上,经过二十多年的发展,量子通信逐渐被人们接受并成为了研究的热点。量子通信有两个很重要的分支,一个是以分发密钥为目的的量子密钥分发(QKD)还有一个是以直接传输信息为目的的量子安全直接通信(QSDC)。然而,不论是QKD还是QSDC在实际应用中都会面临两个问题:传输中的信道噪声和实际设备有缺陷下的安全问题。因此,人们针对这两个问题提出了纠缠纯化和测量设备无关的量子通信。量子态在传输的过程中会因为量子信道噪声由原来的纯态变为混合态,这样的混合态不仅会影响量子通信的品质而且会威胁到量子通信的安全性。1996年Bennett提出了纠缠纯化的模型来解决这一问题。之后人们又提出了通过逻辑纠缠态来解决噪声问题,因为这种量子态本身经过逻辑编码后就具有不错的抗噪性。级联Greenberger-Horne-Zeilinger(C-GHZ)态就是一种很常见的逻辑纠缠态。然而这种逻辑量子态在传输的过程也会发生逻辑层面的比特翻转和相位翻转的错误,这时就无法通过纠错来解决。因此,本文的第一项工作就是通过线性光学实现逻辑纠缠态的纯化,从而在实验上更具有实现的可能性。另一方面,为了解决QSDC在实际应用中抵御探测端的所有攻击,2018年Zhou和Sheng等人提出了测量设备无关的量子安全通信(MDI-QSDC)。然而,原始的MDI-QSDC协议只是在光子的单个自由度上进行编码,因此协议的信道容量不高。本文的第二项工作就是通过复合编码多自由度的单光子来实现高容量的MDI-QSDC,其信道容量能够达到原来的两倍。此外,本文还对双向确定的量子密钥分发(TD-QKD)在伪态攻击下的安全性进行了分析。本文发现TD-QKD在伪态攻击下是安全的,而传统的BB84协议在伪态攻击下是不安全的。