随着信息技术的迅速发展,信息安全的重要性愈发凸显。量子保密通信将量子力学原理应用于信息通信,为保密通信提供了新的技术手段。量子保密通信主要包括量子密钥分发,量子直接通信等通信模式。本博士论文主要针对量子保密通信实用化过程中的相关问题进行研究,主要涉及两方面内容,系统性研究了量子直接通信的实用化以及双向自稳定量子密钥分发的设计与实现。量子直接通信可以在量子信道中直接传输信息,改变了长期以来通信与加密分离处理的机制,是一种新的安全通信框架。量子直接通信利用未知量子态无法不留痕迹测量的基本原理,估算基于物理层安全理论中的安全容量,从而实现保密通信。量子直接通信实用化过程中主要面临着噪声环境下同时保障信息的可靠性与安全性以及现有技术条件下量子存储器无法实用等问题。针对以上问题,我们基于搭线信道理论对原始的量子直接通信协议进行了发展,在联合窃听的条件下进行了定量理论分析,设计了具体的通信方案并搭建了演示系统,实现了噪声环境下1.5 km光纤中以50 bps传输速率的安全可靠通信。针对量子存储的问题,我们提出一种链式分组编码的思想,将多个数据块的安全性联系起来,实现了在不使用量子存储的情况下的量子直接通信,推动了量子直接通信的实用化。实际环境中噪声不可避免,量子保密通信系统在设计的过程中假设窃听者拥有不违反量子力学的任何能力,窃听者可以将其探测引起的干扰隐藏在噪声之中,所以噪声的抑制是量子保密通信实用化的关键技术之一。光纤系统中噪声主要来源于压力、振动以及温度变化等因素导致的光学干涉不稳定。双向传输结构可以通过磁光效应对光纤中的双折射现象以及相位漂移进行自动补偿,可大大提高传输的稳定性。但是双向传输结构给予窃听者更多的窃听策略,比如Trojan木马攻击等。我们从双向传输结构的安全性分析出发,优化了双向量子保密通信协议,提出了一种不需要主动补偿的自稳定结构设计,并定量分析了其在联合窃听条件下的安全性。利用双向结构自动补偿的机制对信息载体进行保护,并选取对自然噪声具有高度鲁棒的量子态用于相位误码的估计,实现了50 km商用光纤下高保真度、长时间的双向自稳定量子密钥分发。该设计不仅可以实现长时间自稳定工作,而且保持了即插即用的特性,具有广泛应用前景。