随着信息时代的到来,频繁的信息交互已经成为人们日常生活的一部分,也成为了现代政治、经济、军事等诸多领域正常运转的基石。正因如此,信息安全越来越被现代社会所重视。信息安全离不开密码学的发展。然而,随着量子计算技术不断取得突破,依赖于计算复杂度的现代密码学的安全性变得岌岌可危。在这一背景下,作为一种新颖的密钥分发方式——量子密钥分发（Quantum Key Distribution,QKD）日益受到学术界和产业界的重视。依靠单光子不可分、量子态不可克隆等量子特性,QKD使用户Alice与Bob可以在存在窃听者Eve的情况下安全地进行密钥分发。进而实现信息论安全层面上的安全通信。在原始的QKD协议的安全证明中,通信双方需要保证源端和探测端无法被窃听者所控制的且源端可以准确地调制出协议所需的量子态。然而,由于实际器件具有各种非理想特性,这个看似合理的要求在实际中却往往难以得到保证。窃听者Eve可以通过实际器件漏洞窃取信息而不被发现。测量端漏洞一度被认为是实际QKD系统中最为棘手的问题。诸如伪态攻击、时移攻击、死时间攻击、强光致盲攻击等针对探测端的攻击一度成为了QKD领域最大的阻碍。为了应对这些致命的探测端攻击,研究人员提出了一种称为测量设备无关量子密钥分发（measurement-device-independent quantum key distribution,MDI-QKD）的特殊协议。该协议可以免疫所有针对探测端漏洞的攻击,甚至允许窃听者Eve作为该协议的测量端。在保持探测端绝对安全的同时,还拥有极高的密钥率和通信距离,是安全性与实用性的完美结合。MDI-QKD已经成为当今的研究热点,被视为最具实用化潜力的协议之一。MDI-QKD的提出解决了当时最为严重的探测端漏洞问题。然而,随着人们对器件非理想性的深入研究,越来越多的源端漏洞被发现和提出。尽管MDI-QKD免疫所有探测端攻击,但是依然对源端有着诸多安全性假设。如何消除MDI-QKD的源端安全性漏洞正成为新的亟待解决的难题。为了解决实际MDI-QKD的源端安全性问题,推进QKD的实用化进程,本文从构造新型协议,完善现有理论方法,设计新型调制器件,开展实验验证等多个角度进行探索研究。本文的主要创新点在于对从理论方面构造了新型MDI-QKD协议以及对现有的MDI-QKD协议进行改进,使其在保持测量设备无关的同时可以免疫部分常见源端安全性漏洞,以及在实验方面设计了可以抵抗光强随机涨落和关联性涨落的新型调制设备和层析方法,并对前述理论进行了实验验证。本文的主要研究内容如下:1:原始MDI-QKD要求源端随机地制备四种理想BB84态。然而,由于编码器缺陷以及各种调制误差,这一要求在实际中难以得到满足。非理想的量子态编码除了会增加误码率之外,还破坏了安全性证明的基本假设,为Eve的窃听带来了可乘之机。为了解决非理想编码态的难题,我们设计了一种称为“增强容错的测量设备无关量子密钥分发协议”的特殊MDI-QKD协议。该协议可以在基不满足相互无偏关系的情况下依然保持安全性以及几乎恒定的高性能。进一步地,我们还给出了该协议的安全性证明,为该协议设计了诱骗态方法以及实验验证了其实际性能。2:参考系漂移是QKD编码中极为棘手的难题。人们针对该问题提出了一种称为参考系测量设备双无关量子密钥分发（RFI-MDI-QKD）的特殊MDI-QKD协议。虽然该协议拥有更高的鲁棒性和源端安全性,但是由于实际条件下的密钥率小于原始MDI-QKD,该协议目前的实用化进展十分缓慢。针对该问题,我们对RFI-MDI-QKD协议进行了理论改进,通过在参数估计中引入不同基之间的潜在关联,极大地提升了该协议的实际性能。除此之外,我们的理论改进也为该协议的网络化研究提供了保障,基于此改进协议,我们设计了一种灵活的MDI-QKD网络并且搭建系统对其性能进行了实验验证。3:双场量子密钥分发协议是最新提出的一种测量设备无关类协议,该协议在免疫所有探测端攻击的同时,还可以将信道对信号的损耗由原本的η变为（?）,从而实现超长距离的量子密钥分发。在此工作中,我们进一步地完善了该协议的实际安全性,给出了其在窃听者拥有量子计算和量子存储能力时的安全密钥率公式。除此之外,我们还分析了源端光强调制的非理想特性,提出了一种层析方法以使得该协议在光源具有较大的随机涨落时依然拥有较高的性能。4:近年来研究人员发现了一种称为“码型效应”的新型源端漏洞。由于电子学器件的带宽限制,热噪声,时间抖动等因素的影响,实际加载在强度调制器上的电压并不是用户所期望的电压,导致实际调制的脉冲强度存在随机涨落以及相邻脉冲之间的关联性涨落。码型效应破坏了独立同分布假设,动摇了安全性的根基。为了解决该问题,我们设计了一种新型器件以抵御该漏洞。我们从理论的角度证明了该器件可以减轻码型效应和光强随机涨落,并利用仿真和实验的方法验证了该器件的有效性。