量子信息物理学是基于量子物理的原理来研究信息学的学科,同经典信息学相比,在解决一些问题上有巨大优势。基于量子力学的基本原理可以实现量子密钥分发(QKD),可以理论上无条件安全地进行密钥的扩展,配合一次一密的加密方式,可以实现无条件安全的保密通信。基于量子态叠加干涉的量子指纹比对,可以做到比经典方案更节约信息量。基于量子态测量塌缩原理的量子随机数,可以做到比经典随机数更加安全,理论上是无法预测的。本论文首先介绍一种高度抗信道干扰的新型QKD方案。普通的QKD方案对系统的错误率有着严格的要求,而这种方案可以容忍很高的错误率,理论上可以到50%的极限。之后我们介绍原方案的一些不足,在此基础上,我们提出了该方案的被动式实现,并演示了其高容错率的能力。我们的方案在53 km的距离上,比特错误高达31.2%的时候依然可以成码。这超越了现有的其它QKD协议,有望应用于环境干扰较大的场合。指纹识别是经典信息论中的一个重要内容,为了让Referee判断出Alice和Bob双方的信息是否相同,Alice和Bob只需发送一小段"指纹"数据给Referee。对于经典的n长度的字串做指纹识别,需要发送(?)量级的信息量,而量子态有着相干叠加的性质,n个qubits相干叠加可以有2n个基矢,从而能携带的信息量指数的优于经典比特。亦即,理论上通过log2n量级的qubits就可以完成指纹识别的任务。我们首先介绍了更加实用的相干态量子指纹识别方案,证明其同样拥有指数量级的优势,然后我们进行了远距离的量子指纹识别试验,通过优化各个部分的性能,在20km的距离下实现了优于经典理论极限的指纹识别,是目前量子指纹识别的最远距离,而且是首个超越经典信息理论极限的量子指纹识别实验。随机数产生器也是通信领域用到的关键器件。经典的随机数通常用伪随机数或经典物理随机数的方式产生。前者的安全性依赖于计算复杂度的假设,后者也不能完全证明不被攻击者控制。而量子随机数的产生依赖于量子力学假设,其随机性在量子力学框架下,不受攻击者影响。本论文提出了一种测量设备无关的量子随机数产生器的方案,在保持量子随机数的理论安全性的同时,也关闭了使用现实的探测器可能带来的漏洞,进一步提高了实用环境下的安全性。