量子密码学是量子力学和密码学结合的产物，而量子密钥分发（quantum keydistribution, QKD）作为其中的核心，可以在通信双方建立起无条件安全的密钥，再结合“一次一密”加密算法就可以实现无条件安全的保密通信。虽然基于一些假设条件，QKD的无条件安全性已经在理论上得到证明，但实际QKD系统总是存在一定的非完美性。一般来说，实际系统和标准安全性证明的任何偏差都有可能被窃听者利用以获取部分或者全部的密钥信息。因此研究实际QKD系统中非完美因素所导致的安全性问题，对于促进QKD的实用化具有十分重要的意义。本文研究了实际QKD系统的攻防问题，并主要完成了以下几个方面的工作：1.搭建了一套双向QKD系统，该系统具有稳定性高、误码率低的特点，随后我们利用该系统分别在50km和100km光纤中进行密钥分发。在该系统中，Alice采用一个由偏振分束器和法拉第旋转器所构成的环状结构取代了通常双向系统中所使用的法拉第镜，这一替换不仅使得Alice可以采用偏振相关的相位调制器来编码信息（在基于法拉第镜的系统中，Alice必须使用偏振无关的相位调制器），而且使得该系统对被动法拉第镜攻击具有天然的免疫性（在基于法拉第镜的双向系统中，合法通信双方无法防御该攻击）。2.法拉第镜在保持双向QKD系统的稳定性中具有十分重要的作用。但由于制作工艺的限制，实际的法拉第镜总是存在一定非完美性，这不仅会增加系统的误码率，而且会给系统带来安全性漏洞。本文基于法拉第镜的非完美性，提出了一种被动法拉第镜攻击方案。分析表明，当法拉第镜非完美时，Alice所发送量子态的Hilbert空间维度将由2维扩展到3维。因此，窃听者可以利用一组3维Hilbert空间的POVM算子来区分Alice的量子态，从而降低由其所引入的误码率。同时我们建立了法拉第镜非完美性程度和实际系统传输率间的关系。结果表明，窃听者成功实施攻击的概率依赖于法拉第镜非完美性的程度，但是窃听者所引入的误码率却基本上和法拉第镜的非完美性程度无关。该工作被收录到挪威Makarov在第一届国际量子密码会议的报告中（会议2011年在瑞士举办）。3.光源相位随机化假设是基于弱相干态BB84QKD协议的安全性证明中一个十分重要的假设，也是诱骗态QKD的基础。但是在实际系统中，这一假设并非自然成立。本文针对这一问题提出了一种部分相位随机化攻击方案。分析表明，窃听者可以利用该攻击来破坏现有QKD系统的安全性。进一步的分析表明，在某些参数下，该攻击可以成功的攻击“一个诱骗态”方法。4.为了保证在实际QKD系统中光源的相位能够被完全随机化，进而排除部分相位随机化攻击，Alice必须采用一个可监控的主动相位随机化装置来调制光源的相位。本文针对单向和双向QKD系统分别提出了一种可验证的主动随机化装置，Alice能够利用该方法来监控光源相位的随机化程度。随后我们在实验上验证了该方法的可行性。5.从实验角度上讲，基于平衡零拍探测器和弱相干态的相位编码QKD方法给出了最简单的连续变量QKD协议。但是在实际系统中，系统固有损耗不仅会增加系统固有误码率，而且会影响系统安全性。本文提出了一种单光子探测攻击方案。在某些参数范围内，该攻击所引入的误码率可以小于系统损耗所带来的固有误码率。因此，如果Bob不仔细选择数据后处理方式，窃听者就可以利用该攻击来获取全部的密钥信息而不会被发现。该工作被美国物理评论编辑部邀请撰写新闻稿。