随机数是一种非常重要的资源。在工程仿真,密码学等各个领域,随机数都有着非常广泛的应用。目前大多数商用随机数发生器都是基于确定性算法或经典物理过程,其产生随机数的可预测性和长程相关性可能会造成仿真错误或者信息泄露等严重问题。而由量子力学的不确定性原理产生的随机数的方法就成为了一个很好的替代品。在过去的二十多年中,基于不同熵源的各种量子随机数发生器模型已经被广泛的研究。对于量子随机数发生器而言,其中最重要的问题便是如何评估对源端测量所获得的熵值。在实用化过程中,理想模型和不完美甚至不可信的实际设备的不匹配可能会造成随机性难以准确量化。完全设备无关类量子随机数发生器虽然可以解决这一问题,但其极低的速率和高难度的实验限制了其实用化。近年来新提出的源无关量子随机数发生器协议,由于其结构简单,速率快且可以不依赖源端建模而受到广泛的关注。然而,虽然源无关量子随机数发生器可以解决源端建模问题,但在实用化过程中人们依然面临测量设备表征的问题。测量设备的噪声和非理想的参数对实际安全性的影响依旧是源无关量子随机数发生器实用化过程中最大的问题。而解决这一问题的可行思路一般有两种,一是精确指出并评估测量设备的各种非理想参数,然后针对各个参数提出解决方案;二是设计一种可以绕过对测量设备进行表征的协议。本文主要就从这两个角度出发,以安全性与实用性的递进顺序进行研究,其中的主要研究结果概括如下:1.首次指出了一些探测器参数对源无关量子随机数发生器的安全性影响,并给出了对应的解决方案以消除这些影响。本项工作首次将后脉冲等探测器参数对源无关量子随机数发生器安全性影响进行了评估,并且发现后脉冲会对产生随机数的自相关产生极大的影响,而探测效率不匹配和对光子数分布的敏感性会严重影响最小熵的准确评估。通过最小熵的重新计算和增加分布检测模块等方法,本文给出了解决这些问题的方案。此外,本文还评估了有限长效应影响,并且发现后向脉冲的影响可以超过有限长效应。最后本文给出了可组合安全性框架下最终的安全码率公式。该工作可以对源无关量子随机数发生器的高速化和实用化提供助力。2.提出了可容忍测量设备非理想性的源无关量子随机数发生器,解决了非理想性很大的情况下的协议安全性与实用性问题。本项工作提出并实验演示了一种可以容忍测量设备非理想性的源无关量子随机数发生器。其中本文对探测器中的一般非理想参数建立了统一模型并应用了改进后的平滑熵的不确定性关系,最终实现在非理想参数很大的情况下的更严格的界评估。与我们之前的工作以及近几年其他的一些源无关协议非理想参数的分析进行相比,本工作提出的协议更能应对普遍的设备问题,而且对于非理想参数很大的情况,本协议评估得到的最小熵有量级上的提升。此外,本文还通过日用照明设备进行了实验搭建,最终在非理想参数很大的情况实现了 Mbps量级的随机数产生速率。该工作对源无关量子随机数发生器的实用化起到了推进作用,而且其中对非理想探测设备的分析可以对其他离散变量协议非理想设备分析起到指导意义。3.提出了基于不可信源和无特征测量的量子随机数发生器,从协议层面解决了设备非理想问题。本项工作进一步的提出并实验验证了一种基于不可信源和无特征测量的量子随机数发生器。协议中源端没有任何假设而且可以抵御量子攻击,测量端则仅需要几个简单的假设而不需要精确表征。本文通过对输出进行编码来消除源端维数的影响,然后通过结合平滑熵的不确定性关系以及量子剩余哈希定理,最终给出了给定安全级别下可提取的随机数。本文同样进行了实验演示并使最终随机数产生速率达到1 Mbps以上。该工作提供了一种更接近于完全设备无关的量子随机数发生器协议,其对源端假设的完全消除和对测量端设备的不需要表征使得其拥有极佳的实际设备兼容性,而Mbps以上的随机数产生速率也使该协议拥有很好的实用性。总之,本文从解决源无关量子随机数发生器的测量设备实用化问题出发,通过精确刻画非理想参数来指出其安全性问题并初步给出方案,然后以建立可以容忍非理想性的模型来优化参数的影响,最后提出无需表征设备的协议来完全解决测量端非理想问题。这三个研究遵循着安全性和实用性递进的顺序,最终给出了一整套解决不同安全等级下的测量设备非理想性的方案。这些模型和方案为源无关量子随机数发生器的实用化提供了帮助。