随着计算机计算速度的提升以及量子计算机的高速发展,现代密码学基于算法复杂度的加密方式未来将变得不再安全。量子力学的不可克隆定理与测不准原理提供了一种新的加密方式——量子密钥分发(QKD,Quantum Key Distribution)。虽然目前由于器件的不完美,会给窃听者留下攻击的漏洞,但是密钥传输方案在物理层面上可以保证信息传输的安全,是一种适用于未来的加密方式。针对器件漏洞攻击的解决方案也逐步被提出。例如针对非单光子源的弱相干光源,通过引入诱骗态来监测被窃听的可能性,针对测量端的攻击,通过引入双光子干涉的测量方式来避免与测量设备相关的安全性问题。量子密钥分发方案1984年被提出,经过36年的发展其安全性理论和实验研究已有长足的进步。在实验上量子密钥分发已经分别实现了自由空间的日光通讯,卫星-地球通信,跨海光纤通信,量子网络光纤通信等,成熟的通信技术也已在商业中初步应用,已有公司陆续推出商用量子密钥分发设备。我们在自由空间中进行了验证性的偏振编码量子密钥实验,其中包含离线的后处理程序,为量子密钥分发实验奠定了基础。然后在商用网络中,我们执行基于时域编码的层析协议,以表征南京大学两个校区之间已安装的商用光纤网络的特性。环回光纤传输距离为61.1 km,损耗为28.02 d B,相当于140.1 km的标准光纤。信道的完全重建有助于我们更好地了解信道条件。为了验证量子过程层析实验的可靠性,我们随后在连续12小时内进行连续的自主反馈控制的相干单向(coherent one way)QKD的现场试验。实验获得平均量子误码率(QBER)为0.25%,对比度为99.2%。该结果与量子过程层析结果非常吻合。对量子通信网络的现场测试,我们使用量子态过程层析成像技术全面评估了系统的质量。量子过程层析技术可以成为将来校准量子光纤网络的标准方法。我们通过实时反馈控制,在已安装的商用光纤网络上为COW协议获得了相对于每个脉冲的更高的安全成码率。我们的研究结果为具有高性能的城域光纤量子网络铺平了道路。随着量子密钥分发技术的成熟,整体系统朝着更高速化,小型化和集成化的方向推进。在这里我们基于集成化的中继系统,进行了与测量设备无关的量子密钥分发实验。经过测试,得益于探测器的低暗计数率,该系统可以在大约71d B的衰减下获得筛选密钥,3.5ns的死时间让我们可以在时间-相位编码的系统中同时测量两个贝尔态,在不改变系统硬件的情况下提升安全成码率。芯片化的中继器可以同时集成多个探测系统,作为量子密钥分发中枢有着天然的优势,可以以星型网络承载多位用户的同时通讯。我们的实验展示了未来实现全芯片化的量子密钥分发系统的可能性。