Depuis son invention en 1984, la distribution de clé quantique (QKD) a effectué d'énormes progrès techniques qui ont notamment permis sa réalisation sur des réseaux de télécommunication ou encore entre un satellite et une station terrestre. Au cours de cette thèse, j'ai réalisé diverses expériences dans le but d'améliorer les performances de la QKD, en termes de taux de répétition et de praticité d'utilisation, mais surtout en termes de distance maximale et de taux de clés secrètes. La partie centrale de mon travail repose sur la réalisation d'une plateforme de QKD à grande vitesse basée sur un encodage en time-bin ayant un taux de répétition de 2.5 GHz. L'utilisation d'un protocole BB84 simplifié a permis d'obtenir un dispositif expérimental simple, comprenant notamment un unique modulateur électro-optique ainsi qu'un appareil de détection entièrement passif et comprenant seulement deux détecteurs de photons uniques. Ce dispositif a permis tout d'abord d'effectuer une expérience à longue distance. En le couplant à des détecteurs supraconducteurs combinant faible taux de bruit et haute efficacité de détection, il a été possible d'échanger des clés quantiques jusqu'à une distance record de 421 km de fibre optique. J'ai par ailleurs démontré la capacité du système à fonctionner avec des photodiodes à photon unique. Enfin, j'ai investigué le régime de fonctionnement à basse atténuation et haut taux de détection. Des taux de clés secrètes approchant 10 Mbps ont été obtenus, ce qui correspond à l'état de l'art actuel. De futures améliorations sont proposées en vue d'augmenter ces performances. J'ai également étudié la QKD basée sur la polarisation à l'aide d'une source d'états BB84 encodés en polarisation avec un taux de répétition de 625 MHz. Cette source a permis la réalisation d'un système BB84 complet capable d'obtenir des taux de clés secrètes de 23 bps à une distance de 200 km. Elle a également été utilisée dans une implémentation à haute vitesse du protocole detector-device-independent. Ce travail comprend une analyse détaillée de la sécurité de ce dernier.