近年来,高效安全的信息传输日益受到人们的关注。量子密钥分发(quantum key distribution,QKD)作为量子信息的重要分支,利用光场量子态作为信息的载体,其安全性依赖于量子力学基本原理而非数学计算的复杂性,使得通信双方能够共享一组安全密钥。结合“一次一密”的加密方式,理论上双方传递的信息不可能被第三方所窃取。因此,量子密钥分发在军事、政务和金融等方面有着广泛的应用前景,受到研究人员的关注,成为量子信息的研究热点之一。量子密钥分发的主要技术路线包括离散变量和连续变量两大类。离散变量类协议发展较早,在实验室研究和实用化方面都取得了显著进展,但是在单光子探测方面存在技术难度较大,成本较高的问题。连续变量类协议发展相对较晚,其信息的载体不再是单光子的偏振或者相位,而是光场的正交分量,其中高斯调制相干态协议(GG02),具有相干态光源容易制备,在中短距离上理论成码率高,探测端采用成本较低的平衡零拍探测器,与现有的光通信网络兼容性较好等特点,是目前最接近实用化的连续变量类协议。GG02协议从2002年提出至今,其理论上的无条件安全性已经被证明,相关的实验技术也获得快速突破,并开始从实验室环境走向外场测试环境。为了进一步推进连续变量量子密钥分发(CV-QKD)系统的实用化,需要考虑系统在不完美物理器件下的实际安全性,例如:非完美高斯调制对CV-QKD系统的影响机制及解决方案;另一个面临的问题是外场环境下的系统如何能够长期稳定运转,例如:实际外场环境下单模光纤双折射效应导致光场偏振态快速漂移对系统的影响,及相应的高速偏振控制技术;目前光纤损耗严重限制了QKD的传输距离,一个有效的解决方案是发展量子中继,其中一个重要的环节是解决通信波段和量子存储波段的高保真度频率变换。针对上述连续变量量子密钥分发面临的关键问题,本论文开展了相关的理论和实验研究,主要研究内容和创新点如下:(1)理论和实验上研究了相位调制器的半波电压、振幅调制器的消光电压和半波电压漂移对于连续变量量子密钥分发系统额外噪声和通道损耗的影响,在此基础上提出了精确校准振幅和相位调制器工作参数的方法,实现了高精度高斯调制相干态的制备,在传输距离为50 km光纤情况下,系统额外噪声可以控制在0.02以下,能够长期稳定运行。(2)理论和实验上分析并验证了偏振态变化对系统额外噪声和通道损耗的影响,提出了多步长模拟退火算法,自适应梯度算法,并在FPGA硬件上快速运行算法,结合积分型光信号探测器实现了脉冲光情况下的高速偏振锁定,在单次偏振随机扰动的情况下,控制偏振的平均时间为827μs;在连续偏振扰动的速率为314 rad/s的情况下,通过数据筛选去除不合格相位锁定点对应的高斯数据,实现系统安全密钥提取,有效解决了由于外场复杂环境导致的光场偏振态快速漂移对连续变量量子密钥分发系统的干扰问题。(3)实验上通过谐振增强的高效和频过程,将双色连续变量纠缠态光场(806nm&1518 nm)其中一束806 nm光场高效频率上转换到530 nm光场,光子-光子转换效率达到80%,实现了频率跨度达1.5倍频程的双色连续变量纠缠态(530 nm&1518 nm)的制备,实测的正交振幅差压缩1.7 dB,正交位相和压缩1.8 dB,满足连续变量纠缠态的不可分离判据。实验验证了在远程量子通信过程中,量子信息在本地存储波段和远程传输波段之间的高保真度转移,同时也为制备大频差的多色纠缠态光场提供了一种有效的途径。