作为量子密码领域最接近实用化的分支，量子密钥分配（QKD）得到了广泛关注，理论与实验研究均发展迅速，已开始商业化和网络化。QKD最大的优势是理论上的无条件安全性，然而实际系统与理论模型不可避免的存在偏差；任何漏洞均可能被攻击者利用，破坏 QKD系统的安全性。为解决未知缺陷或漏洞带来的安全问题，设备无关（DI）概念被引入。在DI方案中，无需对量子设备的内部状态和工作原理进行任何假设，仅仅通过经典输入输出的统计特性即可保证协议的安全性。因此，DI类的QKD和随机性扩展引起了广泛关注。然而，当前技术条件下，完全 DI方案效率较低，且实现极为困难。因此，测量设备无关（MDI），半设备无关（semi-DI）等一系列折衷方案被提出。如何在保证安全性的同时，尽可能的提升方案性能一直是相关领域的研究热点。本文在DI框架下研究QKD与随机性扩展问题，一方面，通过变量分离以及参数综合估计两种思路，提升了MDI-QKD的安全码率；另一方面，利用单边可信的设备实现随机性扩展，改善了原始协议的性能。　　本研究主要内容包括：⑴结合偏选基思路，提出了年强度诱骗态MDI-QKD协议（协议-I）；同时利用Chernoff界，给出了有限码长情形下的严格参数估计，得到了更高的安全码率。该协议利用不同的光强分别估计单光子计数率和误码率，较好的实现了变量分离，相对三强度协议能够提升50％左右的安全码率。此外，从变量分离的角度，本文也分析了另一类年强度协议（协议-II），该协议的信号态仅用于成码，诱骗态用于参数估计。分析显示，传输距离增大时，该协议的性能下降较快，甚至会低于原始的三强度协议。最后，本文分析了为实现完全变量分离所需的最优光强数量为7个。但是，更多的光强会导致MDI-QKD的实现更为复杂。因此，协议-I较好的实现了性能和实现复杂度的折衷。综合来说，在当前技术条件下，协议-I为MDI-QKD的效率提升提供了新的选择。⑵参数估计（单光子计数率与误码率）是影响诱骗态MDI-QKD成码率的重要因素。本文采用综合估计的方法，研究采用自发参量下转换（SPDC）源的MDI-QKD参数估计问题。不同于已有的独立估计方法，从平均计数率和误码率方程组中得到参数解析式，然后充分考虑参数之间的关联性，将其作为一个整体函数进行分析。通过在闭区间内求函数最小值，给出了更紧的安全码率估计。该方法为进一步提升此类MDI-QKD协议的性能提供了思路。⑶DI类QKD的发展，为安全随机性扩展提供了新的思路。考虑单边设备（源或探测设备）可信时的随机性扩展协议。通过在标准 semi-DI基础上进一步增加合理假设，得到了具有更高效率和鲁棒性的协议。在源可信时，本文协议能够在更低探测效率（85.4%）时实现随性扩展（标准协议要求93.4%）；同时，对同样的目击值，可信源情形能提供更大的小熵。此外，不需要数值模拟，我们可以直接给出维度目击值与输出序列小熵的解析关系。然而，探测设备可信时，即使是理想的测量也无法显著改进协议性能。因此，在semi-DI情形下，精确刻画测量是没有必要的。该研究为实验研究提供了有益的理论参考。⑷在设备无关量子密码协议之外，如何利用量子计算理论改进经典密码分析的能力一直是当前的研究热点与难点。量子搜索算法应用广泛，能实现对任何穷举问题的开平方加速。但是，对于实际密码分析来说，直接利用量子搜索算法，其时间复杂度并不一定优于经典分析算法。有效量子算法的设计必须充分利用密码问题自身的具体结构。经典中间相遇攻击是一类应用广泛的密码分析方法，用于分析 NTRU时，其复杂度低于单纯的Grover算法。本文首先证明NTRU的私钥具有可分离特性，然后设计了寻找NTRU私钥的有效量子算法。该算法基于中间相遇攻击和寻找固定重量目标的量子搜索算法，复杂度低于经典中间相遇攻击和已知的量子攻击算法。同时，该算法可以用于NTRU-1998和NTRU-2001。该结论对更好的了解NTRU在量子计算环境下的安全性具有一定的参考价值。