密码学是一门古老的学科,自从它出现的那一天起就一直有极为重要的意义,在军事、商业乃至人们的日常生活中均扮演重要的角色。密码学在经历了远古手工加密阶段、近代的机器加密阶段和现代的基于计算机算法复杂性的加密阶段之后,传统密码学的发展可以说已经渐渐走到了尽头。这是因为现代传统密码学的安全性是由公钥密码体系的计算安全性来保证,尽管可以通过增加算法复杂性等提高破解难度,然而这种加密原理从根本上来说是不安全的。尤其是随着高性能计算的发展以及并行分布式计算的出现,甚至是量子计算机的概念,均对当前的加密方法产生了实质性的威胁。既然现今使用的保密方法从原理上是不安全的,那么寻找一种绝对安全的加密算法就成了迫切的需求,实际上早在1917年由Vernam提出的一次一密方法(one time pad)就是一种被证明了绝对安全的加密算法,但是这种方法存在事先分配大量安全密钥的困难。而量子密钥分发的出现可以解决这个困难,基于量子力学基本原理的量子密钥分发(QKD)可以在公共信道上完成安全密钥的分配,其结合一次一密可以实现无条件安全的加密。本论文调研了密码学以及量子密钥分发的发展情况,给出了相位编码QKD系统的一种设计方案,论文的主要工作正是针对高速量子密钥分发系统的关键技术进行的研究。首先在相位编码QKD系统中由于单模光纤固有的双折射现象导致了系统不可避免的受到光的偏振态影响,常见的解决方法是通过反馈调节偏振控制器来保持光的偏振状态,在我们的QKD系统中提出完全不同的法拉第-迈克尔逊干涉环结构使得系统调相效果完全不受光的偏振态变化的影响,大大提高了系统稳定性。并且调相方案的电子学实现采用高速DAC,其具有线性度好、灵活度高、控制简单、便于确定调相器半波电压等特点,是适合相位编码QKD系统的方案。其次是相位编码QKD系统同步方案以及系统运行参数自动扫描的设计。以往的QKD系统保持同步依靠的是增减物理线路的长度来保证同步信道和量子信道的一致性,而我们设计的系统采用在FPGA内部增加时钟延迟控制模块的方法使得无需调整同步信道和量子信道的物理长度依然可以实现系统同步,这极大的增强了系统的实用性。另外QKD系统所需要的相关运行参数可以在系统上电之后由自动启动的QKD软件自动扫描获得,这同样使得QKD系统离最终能实际应用的QKD设备更近了一步。最后由于系统设计立足于未来可实际应用的QKD通信网络中的节点,并且BB84协议的灵活复杂的高层部分也更适合软件来执行,所以QKD系统设计中还包含了嵌入式CPU系统部分,基于XC5CFX70T这个集成有PPC440 CPU核心的FPGA芯片以最小的代价完成了这一设计,这对比依靠PC机的QKD控制系统有着巨大的优势。以它为核心的单板SoC QKD控制电子学系统是完成量子保密通信节点设计的优秀方案。本论文不但进行了高速相位编码QKD系统关键技术的研究,还设计实现了QKD系统的原理样机,并且进行了实际的QKD实验,还分析了高频情况下系统指标下降的原因。样机在40kmm传输光纤距离上以125MHz的速率连续运行17个小时,在发射端平均每脉冲0.5光子的情形下取得2.7%的量子比特误码率以及329.1kbps的筛选密钥生成率。当速率继续上升到目前光学系统的极限200MHz时,受限于调相器的高频响应以及当前所使用法拉第-迈克尔逊干涉环对调相电压的高要求,系统指标下降明显,量子比特误码率达到了6%,筛选密钥生成率也下降到216.2kbps。