随着信息技术的飞速发展,在通信双方信息传输的过程中,更大的信道容量与频谱带宽的紧缺,已经成为无法避免的矛盾体。与此同时,信息传输的安全性,也成为人们日益关注,越来越重视的通信要素之一。同样,在量子通信中,更高的信道容量和噪声消除是实现长距离量子通信的关键要求。近年来的研究中,已经有很多研究人员提出了各式各样的可行性方案,但仍然无法满足我们的需求。在量子通信中,我们可以采用光子的附加自由度,来实现更大的信道容量与更高的安全性。而光子的轨道角动量,因为其在希尔伯特空间中可以无限取值,因此,作为飞行量子比特在量子通信和量子信息用于信息编码,最合适不过。采用附加自由度为轨道角动量的量子通信协议,可以极大的提高传输的信道容量,进行高密度信息编码、数据存储,并且可以有效的提高通信协议的安全性以及信息传输速率。在本文中,我们利用光子的多个自由度,并且相互独立的特点,提出了一种基于光子的极化自由度和轨道角动量自由度相结合的编码、操纵量子载体,从而有效的实现了高容量量子安全直接通信的方案。此外,还进行了数值模拟研究,以进一步阐明在本方案中信道容量和安全性的提高。论文的主要研究内容如下:1.论文以两步量子安全直接通信协议作为基础,介绍了量子力学和量子通信的基础知识;并对利用光子的极化自由度和光子的四个纠缠贝尔态作为信息传输载体,通过幺正操作进行编码的两步量子安全直接通信协议进行了介绍和安全性分析。2.论文对轨道角动量自由度的相关基础知识进行了详细的研究,从携带轨道角动量光束的制备、轨道角动量分束器的原理、到如何测量轨道角动量的值进行了完备的介绍,并分析了其作为附加自由度编码的可行性。3.提出了本文的主要研究工作,利用光子的极化自由度和轨道角动量自由度相结合,编码实现的高容量量子安全直接通信协议。针对协议的整体设计、编码方式、具体步骤进行了详细的阐述,最后给出了相应的安全性分析。根据本文提出的方案与分析得出结论,在极化自由度和轨道角动量自由度上编码的量子安全直接通信协议的信道容量和错误率(由窃听引起)明显高于仅在极化自由度上编码的信道容量和错误率,因而能够具有更大的信道容量和更高的安全性。我们相信这项工作可以为高维量子比特在量子信息科学中的应用提供更多有利的理论积累。