量子密钥分发,又名量子密码术,是量子信息科学的第一个实用化技术。量子密钥分发能够以绝对安全的方式为远程通信双方分发共享密钥。与传统密码学基于数学复杂问题的安全性相比,量子力学的基本原理从物理上保证了量子密钥分发的安全性,能够从根本上抵抗“后量子时代”来自量子计算强大计算能力的攻击。在此基础上,如果将量子密钥分发与已被证明安全的“一次一密”加密算法相结合还可以建立起理论上不可攻破的保密通信系统。　　 量子密钥分发的绝对安全性使其得到了广泛和深入的研究。但在实际应用中,量子密钥分发系统的密钥生成速率比起常规通信来说仍然相对较低,提高系统速率是增强量子密钥分发技术实用性和促进其进一步应用的关键。得益于高速单光子探测技术的进步,目前的高码率量子密钥分发系统研究可以通过将系统工作时钟频率提升到GHz级别来提高系统速率。不过,高重复率的工作状态也为系统研究带来了一些新的问题,限制了系统进一步提高密钥生成速率。本论文在分析了高码率系统中影响系统量子误码率和密钥生成速率的问题的基础上,以加强高码率量子密钥分发系统的安全性、实用性为目标,研究了高码率系统中的影响同步探测问题、系统稳定性补偿问题以及高速的密钥处理技术问题,并提出了适合于高码率系统的新方案。本论文的主要工作包括:　　 (1)针对高码率系统对时间参数的敏感性,通过分析实际量子密钥分发系统中所使用的微弱脉冲半导体光源和雪崩光电二极管,提出了从时间域上研究微弱脉冲光源与雪崩光电二极管的性能在门模同步探测方式下对量子密钥分发系统中误码率的影响。利用器件的时间响应函数和时间相关单光子计数的思想,从信号系统的角度出发,首先建立了门模单光子探测器对微弱相干光脉冲的探测概率系统模型。　　 (2)研究了超短激光脉冲波形对门模单光子探测效率以及系统量子误码率的影响。从实验上测量了不同包络的皮秒级光脉冲在门模单光子探测方式下探测效率和系统量子误码率的差异,实验结果表明:与波形中存在次峰以及基底的光脉冲相比,使用其中脉宽较小的光脉冲波形能将单光子探测效率提高9％并将系统的量子误码率降低8％。数值仿真分析得到了与实验结果相近的结果,同时也验证了数值模型。此外,还分析研究了增益开关半导体激光器工作条件对光脉冲波形和单光子探测效率的影响,结合实验室所用的超短脉冲激光器讨论了如何通过调节电流注入控制光脉冲波形的演化。　　 (3)研究了超短光脉冲中的时间抖动对高码率量子密钥分发系统所产生的影响。这个问题在低码率系统中常常被忽视,随系统调制频率的升高并达到使时钟或者探测窗口与光脉冲中时间抖动可比拟的程度,时间抖动会上升为影响同步测量精度和系统稳定性的一个重要参量。本论文重点研究了增益开关半导体光源光源中所存在的时间抖动,分析了注入电流工作条件对激光器产生光脉冲中时间抖动的抑制作用和时间抖动对单光子同步检测的影响,并讨论激光器合适的工作驱动条件。　　 (4)设计了一种基于不匹配基量子比特的不间断式主动相位补偿方案。实际量子密钥分发系统在运行中需要对物理环境引入的相位漂移进行补偿以保证系统工作的稳定性,而现有的主动相位补偿方案需要系统周期性地暂停密钥分发以进行相位漂移参数测量,降低了系统运行的占空比和最终的密钥生成速率。本论文提出的方案充分利用了在原BB84协议中会被丢弃的不匹配基量子比特信息,可以令系统同时并发地进行相位补偿与量子密钥分发,提高了系统的工作效率。　　 (5)设计了一种适合于高码率量子密钥分发系统的高速密钥完整性校验方案。现有的校验方法在高码率条件下处理效率低,将会成为系统性能的瓶颈。本论文提出了基于组合群试算法的高速密钥完整性校验方案,通过灵活地选择和设计测试矩阵,组合群试算法允许以非常少的测试总数精确地定位极少数错误比特的位置和校验绝大多数的正确比特。该方案需要在公开信道上公布的信息量少,而具有效率和可靠性上性能优越的优点:对106比特的密钥长度,仅需0.1％的开销；在错误比特数量超过设计值10倍的情况下,本方案仍能保留95％的正确比特。