随着量子密钥分发 (QKD) 系统的深入研究与应用, 随机数的质量和产生速率面临着更大的挑战。为了满足随机数在QKD系统以及对于密钥安全性要求较高的场景下的使用, 提出一种基于真空涨落产生真随机数的实验方案。相比于传统方案使用的2 × 2偏振分束器 (BS), 该方案采用单模1 × 2的BS来实现光路的传输, 不仅节省了装置成本, 同时还得到了较高的随机数产生速率。在9.68 dBm光强的作用下, 得到量子噪声与经典噪声的信噪比为 11.92 dB。对通过12 bit的模数转换器采集到的数据进行分析, 结果显示经典噪声和真空散粒噪声均符合高斯分布, 通过计算得到最小熵为9.92, 原始数据经过安全性可被信息论证明的托普利茨 (Toeplitz) 后处理, 最终实现7.6 Gbit/s的量子随机数产生, 并且通过了Nist随机数标准测试, 验证了方案的可行性。

量子密钥分发 (QKD) 在信道中容易丢失信息载体, 因此有限的通信距离和密钥生成速率是其应用的主要瓶颈。一般而言, 密钥速率受信道传输速率的限制, 而相位匹配量子密钥分发 (PM-QKD) 协议的提出克服了线性密钥速率的约束, 即安全密钥速率与传输速率的平方根成正比。虽然PM-QKD协议可以保证探测器的安全性, 但光源方面仍存在一些缺陷。在PM-QKD协议中, 一般假设光源为理想相干态, 而这与实际的QKD系统不完全相符, 从而造成一些安全问题。本研究讨论了光子数分布未知条件下的PM-QKD协议, 证明了光子数分布未知条件下的安全性分析仍然是合理的, 也表明基于光源检测的PM-QKD协议产生的密钥率与理想光源下的密钥率基本一致。

相对论重离子对撞机（Relativistic Heavy Ion Collider，RHIC）-STAR（Solenoid Tracker at RHIC）实验测量了sNN=7.7~200 GeV能量下Au+Au碰撞中的净质子（净重子的代表）、净电荷和净K介子（净奇异数的代表）多重数分布的累积量，发现净质子四阶累积量与二阶累积量之比（κσ2）呈现出了非单调的能量依赖性行为。在相对论重离子碰撞实验中只能测到末态粒子的信息。因此，基于多相输运（A Multi-Phase Transport，AMPT）模型对Au+Au碰撞系统中守恒荷（重子数、电荷数和奇异数）的涨落性质进行了研究，发现AMPT模型的结果基本能描述RHIC-STAR实验结果。更重要的是，利用AMPT模型了解了相对论重离子碰撞动力学演化过程中几个关键效应（守恒荷粒子的产生和扩散、强子化、强子再散射和弱衰变）对守恒荷涨落演化及其粒子关联函数的影响。发现正负电荷之间关联可能源于弦熔化机制，重子（质子）关联函数符合重子数守恒期望，奇异数（净K介子）的关联函数源于对产生，这些代表量与守恒荷的对应关系行为上定性一致，但数量不同。虽然AMPT模型目前缺乏临界涨落机制，但我们的结果可以为守恒荷涨落的研究提供一条基线，这有助于在相对论重离子碰撞中寻找量子色动力学（Quantum Chromodynamics，QCD）临界点（Critical End Point，CEP）附近可能的临界行为。初步在模型中考虑临界密度涨落，结果发现它起着一定的作用。

寻找量子色动力学（Quantum Chromodynamics，QCD）相变信号是当前重离子碰撞实验的一个基础科学目标，对理解强相互作用物质的性质、大爆炸初期的宇宙演化、超新星的爆发机制、致密星的内部结构以及双中子星并合产生的引力波等重要前沿问题都具有重要意义。当重离子碰撞中发生非连续QCD相变时，引发的强相互作用物质的密度涨落与关联可以通过轻原子核的产额观察量来探测。核子间的多体关联决定了重离子碰撞中轻核的产额。特别地，基于核子并合模型对于轻核产额的计算表明质子（p）、氘核（d）和氚核（t）的产额比值NtNp/Nd2敏感于核子密度涨落与关联，是一个较好的寻找QCD相变信号的可观测量。进一步，基于输运模型对于重离子碰撞中的手征相变的模拟发现，当系统的相轨迹经过一阶相变区域时，轻核产额比值NtNp/Nd2有明显增加。这些结果为利用重离子碰撞中的轻核产生寻找QCD相变提供了理论依据。

能量扫描理论合作组（Beam Energy Scan Theory Collaboration，BEST）的目标是建立一个可以描述美国相对论重离子对撞机（Relativistic Heavy-Ion Collider，RHIC）上第二期能量扫描实验的动力学框架。该实验有可能找到强相互作用相图上的临界点。本文总结自2016年起，BEST合作组取得重要进展，并对未来探索中高密度区相图做了展望。

量子色动力学（Quantum Chromodynamics，QCD）相图是高能核物理领域研究的前沿热点。本文基于有效场论的方法，包括Nambu-Jona-Lasinio模型和Dyson-Schwinger方程等，介绍了近期QCD相图研究的多方面进展，包括利用高阶磁化率寻找相变信号，手征不平衡、有限体积和旋转等对相图的影响，以及QCD物态方程在致密星体中的应用。研究发现，重子数高阶涨落的理论结果与实验测量的质子数高阶矩可以较好地符合；手征不平衡、有限体积和旋转对手征凝聚和相图结构都有一定的影响；从有效场论的QCD物态方程出发，可以给出符合脉冲星观测的结果。

为了从相对论重离子碰撞实验确定量子色动力学（Quantum Chromo-dynamics，QCD）所预言的相变临界点和相边界，必须考虑实验数据中非临界涨落、有限系统尺度、有限演化时间的影响。本文综述了这三方面工作的主要内容、结果和意义。对于非临界涨落，主要讨论了由于有限事件数对观察量测量的影响，估计了在相对论重离子对撞机（Relativistic Heavy-Ion Collider，RHIC）能量扫描区，精确测量高阶守恒荷高阶矩所需要的事件数。提出用泊松分布描述有限末态粒子数所致的统计涨落，将统计涨落和实验结果比较，发现统计涨落贡献为主，必须扣除泊松主导的统计涨落。提出混合事件方法，定义动力学累积矩为原始样本的累积矩减去混合样本的累积矩，利用多相输运模型（A Multiphase Transport Model，AMPT）的default模型重建了一个与之相对应的混合事件样本，结果表明：动力学累积矩确实能很好地扣除泊松样的统计涨落，尤其是中心度bin宽度和探测器效率的影响。对于有限系统尺度的影响，利用三维三态Potts模型研究了各种有限系统尺度下，它的磁化强度的高阶感应率在一级相变、临界点，以及平滑过渡区域的行为。发现在固定外场，穿越相边界的时候，从二阶到六阶磁化率都会出现非单调行为，或符号的变化，而且在三个相变区域，非单调行为类似。因此，仅从非单调行为不能区分不同级数的相变。进一步研究了磁化率的有限尺度标度行为，它们的标度指数在不同级数相变中是不一样的，可以区分不同级数的相变。根据观测量的有限尺度标度性，给出了用固定点确定临界参数的定量方法，并将该方法应用到三维三态Potts模型模拟产生的数据分析，展示了方法的精确有效性。对于非平衡演化的影响，采用Metropolis算法模拟了三维Ising模型在临界点附近从非平衡到平衡的演化过程。发现其序参量在演变过程中以指数形式趋近其平衡值，这与动力学朗之万方程给出的结果相同。临界温度下的平均弛豫时间随系统尺度的z次幂发散，表明它能很好地表示动力学方程中的弛豫时间。非平衡演化过程中序参量的三阶矩和四阶矩会出现正、负值震荡，符号取决于观测时间，结果与平滑过渡区动力学模型一致。研究还发现，在平滑过渡区，非平衡演化持续时间非常短，非平衡对观察量的影响非常弱；但是在一级相变线上，非平衡弛豫的时间非常长，非平衡豫影响不可忽略。这些定性特征对实验确定QCD的临界点和相边界具有重要的指导意义。

量子色动力学（Quantum Chromodynamics，QCD）相图结构和相变临界点是高能物理理论和实验的研究热点。相对论重离子碰撞是探索QCD相图结构、寻找QCD相变临界点的有力工具。美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机（Relativistic Heavy Ion Collider，RHIC）是目前世界上进行高能重离子碰撞的大型实验装置之一，其中的STAR（Solenoidal Tracker at RHIC）实验致力于高温高密条件下夸克胶子等离子体（Quark Gluon Plasma，QGP）性质以及QCD相结构的实验研究。本文着重介绍近年来RHIC-STAR能量扫描实验中运用守恒荷高阶矩和轻核产生寻找QCD相变临界点的研究进展，最后将对高重子密度区QCD相结构的未来研究做出展望。