量子密码是近三十年发展起来的一种新型密码技术，它是经典密码与量子力学相结合的产物。与传统基于计算安全的经典密码体制不同，量子密码的安全性不依赖于计算的复杂度，而是基于量子力学基本原理。量子力学基本原理使量子密码具有经典密码无法比拟的优势——无条件安全性和对窃听的可检测性。自1984年量子密码诞生至今，已有大量的量子密码协议被提出，这些协议丰富了量子密码的研究内容，也推动了量子密码的发展。然而现有的大部分量子密码协议大多基于纠缠态，而纠缠态光子的制备和测量相较于单光子来说技术难度较大、成本较高。在实际应用中，单光子被认为是最理想的量子信号源，虽然单光子和纠缠态光子一样会受到实际环境的干扰，但相比于克制环境对纠缠量子体系的退相干作用，克制环境对单光子的干扰代价更小，也更容易实现。而且与基于纠缠的量子密码协议相比，基于单光子的协议在可扩展性和可行性方面具有更为突出的优势。因此本文以单光子作为信息载体设计量子密码协议，主要内容涉及量子密码中的两个重要分支——量子秘密共享和量子直接通信，具体研究成果如下：
　　(1) 由于现有量子秘密共享协议只单纯地基于高维或二维量子体系，对于分发者和参与者分别位于不同维度量子体系的秘密共享还没有有效的方案。因此基于Huffman树和轨道角动量级联分离网络提出了一个量子秘密共享协议。首先基于原始秘密构建对应的Huffman树，随后构建与Huffman树相同结构的轨道角动量级联分离网络，结合接入结构完成高维量子体系到二维量子体系的秘密共享。与其它单光子量子秘密共享协议比较分析，该协议在量子比特效率和光子利用率上具有一定优势。通过安全性分析可知该协议能抵抗现有的外部攻击和内部参与者攻击，具有较高的安全性。
　　(2) 针对现有量子秘密共享协议中存在的光子利用率和量子比特效率较低、参与者动态变化成本较高的问题，提出了一个基于喷泉码的动态量子秘密共享协议。利用喷泉码预先与各参与者共享诱骗态粒子的位置及测量基信息。然后利用迭代的方式将较小密钥片段的份额放入最大密钥片段的份额中，并将最大密钥片段的份额用对应的光子序列进行表示和传输。同时在其光子序列中插入诱骗态光子保障通信安全。迭代编码的方式减少了所需的光子数，提高了量子比特效率。除此之外，当参与者动态变化时无需重新分配原参与者的子密钥份额，大大节省了由参与者动态变化所带来的额外开销。同时，该协议使用与 BB84 协议同样的物理设备就可实现。安全性分析表明，该协议既能抵抗外部攻击，又能抵抗内部参与者攻击，具有较高的安全性。效率分析表明该协议具有较高的量子比特效率。
　　(3) 为了提高量子直接通信的光子利用率和通信效率，基于算术编码提出了一个安全可行的确定性安全量子通信协议。首先利用喷泉码预先共享少量经典信息，完成测量基及解码信息的共享。然后通过简化的算术编码来编码机密信息并制备对应的单光子序列进行机密信息的传输。算术编码使其无需将窃听检测与机密信息传输分两步进行，提高了协议通信效率。同时算术编码的特性使其无需丢弃用于窃听检测的光子，提高了光子利用率。该协议可利用与BB84协议同样的物理设备实现。通过安全性分析可知，该协议具有较高的安全性，可抵抗现有的多种攻击手段。
　　本文基于单光子分别利用几种特殊编码提出了三个量子密码协议。Huffman编码和喷泉码分别与量子秘密共享的结合提高了两个量子秘密共享协议光子利用率且大大节省了两个协议的实现成本。喷泉码和算术编码与确定性安全量子通信的结合不仅克服了现有量子直接通信协议存在的问题，还可提高协议的安全性。所提的三个协议均可利用现有技术实现，因此三个协议均可为量子密码协议的实用化研究提供参考。