量子信息是量子物理和信息科学结合的交叉学科,主要包括量子通信,量子计算和量子精密测量。例如,量子通信是迄今为止唯一在理论上证明是信息论安全的通信方式。在量子通信系统中,需要大量的随机数资源,具有不可预测性、不可重复性和无偏性等特征的量子随机数可以显著提高量子通信系统的安全性。量子随机数发生器（QRNG）是基于量子力学基本原理而产生真随机数的系统,实用化和安全性是目前QRNG的重点发展方向。本论文总结了作者在博士期间在量子随机数相关领域的工作,围绕实现更加实用和安全的量子随机数发生器展开论述。针对量子随机数发生器实时生成速率低、体积大等问题,开展量子随机数发生器的集成化研究;针对量子随机数发生器中的安全性问题,开展量子随机性实验研究。在实用化QRNG的集成化研究方面,量子随机数发生器需要同时兼顾高速率、集成化、低成本和高稳定性的需求。本文作者首先开展了基于真空态方案的集成化量子随机数发生器验证实验,通过将方案中的硅光芯片、InGaAs平衡探测器和跨阻放大器集成在一个芯片上,展示出了集成芯片优良的高频特性,之后通过对后处理过程的优化,最终实现了迄今为止最快的实时量子随机数发生器。此项工作针对超快和紧凑QRNG应用场景提供了一种解决方案。在此基础上,通过进一步集成光源,实现了 QRNG光学芯片,并针对不同应用场景,分别开发了小型化高速QRNG模块和低成本、低功耗的QRNG芯片。在量子随机性实验研究方面,兼顾QRNG现实条件下安全性,实现了基于连续变量的半器件无关量子随机数实验。此项工作兼顾安全性和实用性,通过合理的假设,提高了 QRNG的安全性,相比于单光子探测器的半器件无关方案,QRNG产生速率提高了约一个数量级。量子随机性与量子非定域性有着非常深刻的内在关联,这通常是用贝尔不等式的实验检验来判断。本文作者在国际上首次实现了探测遥远星体的随机数发生器,并参与实现了无漏洞贝尔不等式实验检验;设计超低延迟、实时响应的量子随机数发生器,首次实现二元非定域性的实验检验,为量子网络中量子非定域性的实验研究开辟了新道路;首次实现器件无关量子随机数及其拓展,实现了目前安全等级最高的随机数产生装置。