光学工程是将光学理论应用于实际的成功典范,而量子密码就是光学工程的学术前沿。量子密码成功地将量子光学应用于信息通信领域,成为量子光学中第一个可用的技术。量子密钥分发是量子密码最突出的应用实例,它能实现无条件安全通信。如今,量子密钥分发已经进入到国家政府部门及企业,发挥着保密通信的作用。研究量子密钥分发的基础是安全性研究。安全性研究的最终目的是提高量子密钥分发的性能,增强安全性,扩展适用范围。广大学者提出了新的理论来论证安全性,比如,探索新型协议、改进原始协议。这些新协议及新技术的提出为量子密钥分发的发展注入了新的活力。在新协议中,尤为引人注目的是新型高维量子密钥分发协议——环回差分相位协议。环回差分相位协议的安全性机制与传统的协议不同,它能在免信道扰动监测的情况下运行,因此具有很高的鲁棒性——不仅能出色地抵消有限长效应,也有超强的对抗信道干扰的能力。围绕环回差分相位协议展开的安全性研究工作将有力地促进量子密钥分发的发展、丰富应用场景。尽管环回差分相位协议的特性已被实验验证,但目前针对该协议的研究工作依然不完善,比如,如何分析完备环回差分相位协议的有限长效应?若测量端存在安全性漏洞能否生成安全密钥?环回差分相位协议的性能未被研究透彻。本文围绕博士阶段的研究工作展开,总结了环回差分相位协议及其安全性分析,简单概括如下。1.提出改进的环回差分相位协议的安全性分析。针对原始的安全性证明计算信息泄露量不紧致的问题,通过重构原始的纠缠等价协议,引进相位随机化光源,得到了更紧致的密钥率上界。改进的安全性证明的优势在于计算简便,生成安全密钥所需的光脉冲数最少,提升了协议在有限长情况下的密钥生成效率。2.提出基于后选择技术的环回差分相位协议的有限长理论。目前,完备的环回差分相位协议的安全性证明不能抵御窃听者的相干攻击,这限制了协议的应用范围。针对这一问题,采用后选择技术分析该协议的有限长效应,尽管性能欠佳,但是提升了安全等级,且验证了基于后选择技术的有限长分析具有普适性。3.提出基于熵不确定关系的环回差分相位协议的有限长理论。针对前两种有限长理论的不足——安全密钥率未能达到最优,或者性能较差,利用熵不确定关系分析该协议的有限长效应,有效解决了前述问题——相对于第1点保持了最优密钥率上界,相对于第2点光脉冲数量减少三个量级以上。基于熵不确定关系的有限长效应分析理论为环回差分相位协议的实用化研究奠定了理论基础。4.提出适用于环回差分相位协议系统参数优化的后脉冲模型。常见的单光子探测器存在后脉冲效应,探测速率越高则后脉冲效应越明显,后脉冲是环回差分相位协议实用化研究中必须考虑的问题。本文首次将后脉冲效应考虑进协议的实际理论分析中,构建了一种基于非马尔科夫的后脉冲模型,该模型可对环回差分相位协议的探测器响应进行精确描述,优化了协议的运行参数,提升了安全密钥率。5.提出新型测量设备无关的环回差分相位协议。原始的环回差分相位协议要求测量端必须是一个可信的针对单光子的投影测量,在实际的运行系统中,测量端往往存在安全性漏洞,导致密钥不安全。针对这一痛点,通过借鉴被动环回差分相位协议的优秀结构,构造一种新型测量设备无关的环回差分相位协议,该协议天然免疫所有针对测量端的攻击,提升了原始协议的安全性,拓展了协议的应用前景。