以量子力学原理为理论基础,量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)协议能够在合法用户之间通过量子信道生成密钥,并保证其安全性。其中,相位匹配量子密钥分发(Phase-matching Quantum Key Distribution,PM-QKD)协议,不仅能像测量设备无关量子密钥分发协议一样克服因测量端设备的不完美而导致的安全漏洞、使安全通信距离延长至两倍,而且可以在无中继器的情况下突破量子通信的安全密钥容量(Secure Key Capacity,SKC)限制,因此PM-QKD协议成为了目前QKD领域的一大研究热点。本文针对PM-QKD协议进行研究,通过改进信号光源和编码方案来提高PM-QKD协议的性能,具体研究工作如下:(1)提出了一种基于预报单光子光源(Heralded Single Photon Source,HSPS)的相位匹配量子密钥分发(HSPS-PM-QKD)协议。针对PM-QKD协议中弱相干光源(Weak Coherent Source,WCS)空脉冲占比过高问题,论文分析了预报单光子光源的特性,并将其作为信号光源,有效提高PM-QKD协议的性能。仿真结果表明:与同等条件下的基于WCS的PM-QKD协议相比,HSPS-PM-QKD协议在密钥生成率和通信距离等方面有了较大的提升。(2)提出了一种基于轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)的相位匹配量子密钥分发(OAM-PM-QKD)协议。针对PM-QKD协议中相位编码存在对编码基的依赖性问题,论文提出采用OAM态作为信息编码的PM-QKD协议。在OAM-PM-QKD协议中,由两个正负拓扑荷值的OAM态构成的特殊的OAM叠加态被用作编码密钥。仿真结果表明,OAMPM-QKD协议可以实现通信双方最终得到安全密钥,且相比于PM-QKD协议密钥生成率有一定的提升。(3)提出了一种多脉冲(Multiple Pulses,MP)相位匹配量子密钥分发(MP-PM-QKD)协议。在该协议中,本文将循环差分相移量子密钥分发协议中脉冲串的概念引入到PM-QKD协议,通信双方Alice和Bob都向Charlie发送包含L个脉冲的脉冲序列,并对脉冲序列中的每个脉冲都进行随机相位调制和相位编码。数值仿真结果表明:MP-PM-QKD协议仍然能够突破SKC的限制,而且在传输距离和密钥生成率性能上,相比于PM-QKD协议,MP-PMQKD协议有了较明显的提升,同时MP-PM-QKD协议的比特错误容忍率也有了很大的提高。