量子信息学是量子力学与信息学相结合的交叉学科,量子保密通信因其无条件安全性成为了量子信息学中发展最快、最先应用的内容之一。量子安全直接通信和量子密钥分发是量子保密通信非常重要的两个技术。因此,本论文以获得安全、高效和易实现系统性能为目的,开展了量子安全直接通信方案、量子密钥分发系统设计及安全性探索研究。论文主要工作及创新性研究成果包括:1.提出了一种基于单光子和纠缠对相结合的量子安全直接通信方案。方案中发送方将所制备的纠缠对分为两个序列,其中一个序列用于第一次信道安全检测,另一个序列和单光子序列相结合形成的量子态序列用于信息编码;将已编码序列进行顺序重排,并且添加检测单光子后发送给接收方,实现信息保密传输。研究表明,与大多数单一信号源方案比较,该方案不需要设计复杂的幺正变换,可简化实现过程,信息传输效率达到了100%。2.提出了一种基于三粒子一类W态在非对称信道中的量子安全直接通信方案。选择三粒子一类W态信号源,在非对称信道中通过对三维希尔伯特空间的两个量子比特进行幺正变换设计实现了4.2比特经典信息编码,并基于此编码方法提出了一种量子安全直接通信方案。研究表明,与一般的W态对称信道方案比较,在非对称信道中结合密集编码技术可以大大提高传输效率。3.提出了两种基于三粒子GHZ(GHZ,Greenberger-Horne-Zeilinger)态的量子安全直接通信方案。方案一在安全性检测过程中,采用单粒子测量方式,并结合粒子间的纠缠特性,诱使窃听者在攻击时产生更多错误状态,从而增大检测概率,其错误率可达62.5%。方案2结合星型网络中的通信应用,基于第一种方案提出了一种双向量子安全直接通信方案,通过对三粒子幺正变换的设计,使得网络中任意两个通信用户在服务器的控制下,可实现双向通信中一对量子可传输4比特经典信息,并可抵御信息无意识泄露的被动攻击。4.提出了一种基于动态控制码序列的量子安全直接通信方案。通过采用混沌技术获得初始密钥,再对初始密钥进行分组、异或,最后抽取码字以获得控制码序列,并设计了移位循环算法,使得控制码序列处于动态变化中。研究表明,该方案的信息传输效率达到了100%,提高了粒子利用率,并具有良好的动态性和安全性。5.设计了一种基于散粒噪声方差实时监测的连续变量量子密钥分发系统。提出了一种主动相位补偿方法,通过扫描少量相位测量点,采用最小二乘算法,可获得满足精度要求的相位漂移值。仿真表明,该方法不受相位测量点选取的限制,并且随着测量点的增多,可加快相位漂移值的收敛速度,相位补偿效果好。采用散粒噪声方差标定方法,在原有的系统中增加了散粒噪声方差实时监测模块。实验表明,所设计的系统能够解决窃听者通过对本振光的攻击改变散粒噪声方差值的问题,提高了系统的安全性。对以上方案的安全性进行了分析证明。