量子密钥分发（QKD）基于量子力学基本原理,可以使用户之间实现信息理论安全的共享密钥,进而结合一次一密的信息加密方式,能够实现无条件安全的保密通信。与经典光纤通信（OFC）类似,量子态也会随着传输距离的增大呈指数衰减,OFC通过采用光放大器每隔大约八十公里距离对传输信号进行放大来建立一个长距离光纤网络。但QKD无法通过简单的光放大来增加传输距离,因为量子信号无法被放大,量子信号的放大也可以看作是一种克隆,根据量子不可克隆定理,任何针对未知量子态的克隆都会引起量子态的扰动,产生额外的误码率,被授权用户在后续通信过程中发现。此外,通过理论分析发现,无中继QKD的密钥率R被限制在1.44η以下（η为信道透过率）,因此信道损耗是长距离QKD在实际应用中最大的限制。量子中继器提供了一个理论上扩大QKD传输距离的方案。然而,受限于量子存储器的性能,目前的量子中继只能达到50公里的距离。利用可信中继每大约七八十公里进行一次中继也可以建立远距离QKD,但所有的中继站必须具有良好的隔离性和可靠性,并且在一些应用中,大约两三百公里的距离才会有主要的城市,因此很多可信中继需要建立在野外,相应的安全成本很高。双场量子密钥分发（TF-QKD）可以将密钥率和信道透过率的线性关系提升至平方根相关,从而超越无中继QKD的密钥率-距离限制。这一特性使得TF-QKD有望实现超远距离安全密钥分发,减少长距离量子通信网络中的可信中继数量,提高长途干线QKD的安全性,以及降低其安全成本。然而,TF-QKD技术要求相当苛刻,因为它需要两个远程独立激光器的单光子级干涉,光源频率微小的偏差以及光纤链路任何波动都会积累相位噪声而降低单光子干涉的质量。本文采用Pound-Drever-Hall（PDH）激光稳频及超稳光学频率同步等关键技术精确控制两个独立激光器的波长,并利用附加相位参考光的单光子探测结果来估算和补偿光纤的相位波动,再结合低暗计数、高效率超导纳米线单光子探测器,对“发送”或“不发送”双场量子密钥分发（SNS-TF-QKD）协议进行了实验验证,在实验室658公里及现场511公里光纤距离下获得了比无中继QKD绝对线性成码极限更高的密钥率,并在实验室658公里的TF-QKD实验系统中验证了振动传感的可行性。本文的主要内容为:（1）通过PDH锁频、光纤多普勒相位噪声抑制等时频关键技术精确控制两台独立激光器的相对频率/相位,并基于单光子探测实现光纤链路相对相位反馈,对SNS-TF-QKD协议进行了实验验证,在300公里的真实光纤距离下生成安全密钥,获得了比无中继QKD相对线性成码极限更高的密钥率;（2）采用基于经典双向通信数据后处理方法的SNS-TF-QKD协议,模拟现实场景实施实验,将无中继光纤QKD的安全传输距离提升至509公里,并打破无中继QKD的绝对线性成码极限（假设探测器效率百分之百,暗计数为0对应的线性成码极限）;（3）基于“济青干线”实地光纤网络,精确地控制了两台相距500公里的独立激光器的频率/相位。在连接青岛和济南511公里的光纤距离下进行了 TF-QKD的现场演示,并突破无中继QKD的绝对线性成码极限;（4）采用基于主动奇偶校验（AOPP）数据后处理方法的SNS-TF-QKD协议,通过优化实验系统,在实验室内将无中继光纤QKD的安全传输距离提升至658公里,生成的安全密钥率比无中继QKD的绝对线性成码极限高10倍,并验证了将TF-QKD实验系统拓展应用于振动传感的可行性。