互联网和物联网技术在方便全世界沟通交流的同时,也蕴含着潜在的信息安全问题。如今,各大国已将网络空间安全上升到国家战略。现行的密码体制大多是基于计算复杂度问题而设计的,其安全性日益受到正在高速发展的计算科学所带来的威胁,尤其是来自量子计算机的威胁。量子密码是基于量子力学的基本原理而设计的,具有理论无条件安全性。本文从经典数字签名谈起,阐述了基于计算复杂度的经典密码学容易受到量子计算机的威胁的原因,然后引出量子数字签名。早期的量子数字签名协议假设的几个前提在实验上难以满足,因此限制了量子数字签名的发展。研究者们不断改进最初的量子数字签名协议和实验条件,使协议的前提假设可以符合实际实验情况。大多数量子数字签名协议与实验是关于如何实现理论无条件安全地签名单个比特。如果只是用简单地迭代方式签名多个比特,虽然被签名的每个比特都还能保持理论无条件安全性,但整体的语义可能会被攻击者篡改,因为攻击者可以在不篡改任一比特和对应签名的基础上将这些比特签名对进行一些操作,从而伪造出可以通过验证的多比特消息与签名。针对这一问题,研究者们提出了对将要签名的消息先编码后签名的解决方法。虽然这种方法可以有效地解决量子数字签名协议用来签名多比特消息时可能存在的漏洞,但是至少牺牲了一半的签名效率。我们在研究过程中发现了这一问题,并提出了一种高效的编码方法,同时证明了仍然可以满足多比特量子数字签名的理论无条件安全性。当签名一条128比特的消息时,我们新方案的签名效率相比之前最好的方案可以提升36.92%。另外,我在研究期间与合作者完成了一项使用高速量子数字签名的实验,系统重复频率达到了GHz量级。在125千米的传输距离时,最小的失败概率小于10^-10的条件下,签名率仍可以达到0.044比特每秒。本文主要围绕实用化量子数字签名这一主题,总结了本人在这一研究方向的研究成果,主要包括提出了高效的多比特量子数字签名方案,利用新型干涉环实现的高速量子数字签名实验和实用化量子数字签名系统参数优化等。