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量子密钥分配(Quantum key distribution,QKD)理论上能够实现端到端无条件安全的密钥协同,其中,参考系无关量子密钥分配(Reference Frame Independent QKD,RFI-QKD)协议能够在通信双方参考系存在偏差的情况下实现安全的密钥协同,在星地、网络及芯片化量子保密通信中具有重要的应用前景。目前,国内外研究人员主要针对RFI-QKD协议的协议设计及实验实现进行了研究,但针对该协议的实际安全性分析还不够完善。本文主要围绕该协议在非理想单光子源,光强涨落,密钥有限长及不可信光源条件下的实际安全性进行了研究,主要研究成果如下:1.基于标记单光子源(Heralded Single Photon Source,HSPS)的被动诱骗态RFI-QKD协议安全性分析。利用HSPS单光子比例较高,真空态比例较低的优势,提出了基于HSPS的被动诱骗态RFI-QKD协议,给出了标记脉冲和未标记脉冲中不同选基情况下的误码率、参数C及攻击者Eve信息量的刻画方法,给出了该协议理想情况下安全密钥率的解析表达式。数值模拟显示,相比于基于弱相干(Weak Coherent Pulses,WCP)光源的RFI-QKD协议,基于HSPS的被动诱骗态RFI-QKD协议不仅在安全密钥率而且在安全传输距离上均更优。2.密钥有限长及光强涨落条件下RFI-QKD协议的实际安全性分析。QKD系统中,密钥有限长导致的参数估计中的统计涨落是分析实际安全性的一个重要因素。分别基于Hoeffding不等式和Chernoff界方法,对密钥有限长条件下的RFI-QKD协议参数估计中各个参数的统计涨落范围进行了刻画,给出了密钥有限长条件下该协议中不同选基情况下单光子误码率上界、参数C及Eve信息量的刻画方法,并基于可组合安全性给出了有限长条件下RFI-QKD协议安全密钥率的解析表达式;在光强涨落条件下,利用Azuma不等式对协议参数估计中各个参数的统计涨落范围进行刻画,分析了光强涨落条件下RFI-QKD协议的有限长安全性。数值模拟显示,利用Chernoff界分析的参数比利用Hoeffding不等式分析的参数更紧致,并且光强涨落对RFI-QKD协议的安全密钥率及安全传输距离有着显著的影响,密钥规模越小,收发双方参考系偏差越大,光强涨落的影响越明显。3.基于不可信光源的RFI-QKD协议实际安全性分析。首先给出了基于“plug&play”结构的不可信光源RFI-QKD协议的具体描述及实际安全性分析,并利用光强监测器获取样本脉冲中的非标记脉冲信息,给出了非标记脉冲中不同选基情况下单光子误码率上界,参数C及Eve信息量的刻画方法,进而给出了基于不可信光源的RFI-QKD协议安全密钥率的解析表达式。其次,利用Chernoff界分析了密钥有限长时该协议参数估计过程中各个参数的统计涨落范围。数值模拟显示,基于不可信光源的RFI-QKD协议依然能够在参考系存在偏差的情况下安全地传输密钥。