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保密通信历来受到军事、外交、商业等领域的广泛重视，是一种对信息形式进行加密变换以隐蔽信息内容的通信方式。中国的西周时期和公元前的古罗马帝国均有保密通信的应用记载。电信技术大发展，触发了保密通信大革命，基于数学运算复杂度的私钥和公钥密码体制发展成为目前应用最为广泛的保密通信方式。但是，随着计算技术的不断发展，公钥和私钥密码体制受到了严重威胁。量子保密通信利用物理学的基本原理提出了利用单量子态进行密钥的传输，并将这种密钥分配方式和保密通信领域中唯一被证明是安全的等长度的一次一密密码体制相结合，为保密通信领域提供了一种可行的，理论上被证明绝对安全的通信方式。量子力学的测不准原理和未知量子态不可克隆原理保证了单量子态用于密钥分配的理论安全性，自量子密钥分配的概念被提出以来，在短短二十多年的时间中，该领域的理论、实验以及相关技术都取得了显著的进展，其广泛的应用前景受到了包括军事、商业、外交、金融等各领域的普遍重视。量子密钥分配已经从理论和实验上得到证明，但是对于实际应用，仍然面临着码率低和由于技术上的不完善而受到攻击的危险。因此，本博士论文致力于完善量子保密通信系统的理论与技术基础的研究。在这篇论文中，围绕如何建立高效的量子密钥分配系统进行了系统的研究，主要包含以下内容：
1，通过总结和分析单光子共享多光学模式的W态的概念与制备和测量方法，提出了W态的制备和测量规律在量子密钥分配系统中的应用。W态的制备与测量存在和量子密钥分配系统物理模型很相似的规律，如在不同的测量条件下，纠缠态测量事件的不确定性和干涉对比度区别很大，平均光子数将在一定程度上影响测量结果，我们可以根据这些规律对量子密钥分配的协议进行仔细研究，以期获得更好的系统性能。
2，目前量子密钥分配系统主要存在的问题是码率较低的问题，除了影响最大且被普遍关注的传输信道损耗外，量子密钥分配的协议损耗也一直是该领域被普遍研究的问题，它造成了密钥信息在协议层次上的丢失。
基于W态的测量规律，发现有高码率应用前景的差分相位编码协议总是有信息丢失的基本原因，而部分光子概率幅脉冲的丢失造成了对于Alice制备的W态测量时的不完善性，W态的测量规律决定了系统具有较低的干涉对比度，因此具有较低的密钥生成效率，为了构建完善的W态的测量条件，本章提出并构建了一种可选择时延单元，由此证明差分相位编码分配方案中通过测量条件的改进得到了W态的完全叠加测量，获得了理想的干涉对比度，实现了100％的密钥生成效率，传统差分相位编码的协议损耗被完全消除。并具体针对光纤和自由空间传输，分别提出了两种新的实现方案，利用该方案，在保证安全性的基础上，可以将系统中光子利用率提高到100％。
在消除协议损耗的研究中，我们还发现，1比特/1光子的限制可以突破。我们将偏振信息和差分相位信息同时调制在单光子上，证明可以得到平均每光子7/6比特信息的传输，并对这种协议的安全性给出了初步的证明。
3，我们搭建了一套自由空间差分相位编码系统，并取得了较好的实验结果。该系统利用自制偏振型强度调制器产生一列偏振相干脉冲串作为差分相位编码系统的光源，在Bob端采用F-M干涉仪的方法进行差分相位检测。系统采用自制的嵌入式控制系统进行了实验室的通信实验，获得了通信双方的密码表，误码率小于6％。
4，相位编码量子密钥分配系统的稳定性是影响该技术实际应用的重要技术问题，该问题也一定程度造成了密钥信息的丢失。我们对干涉环受到外界影响引起相位漂移的主动补偿方式进行了深入研究，提出了利用五点法快速扫描方式来获取实时相位工作点，并在此基础上，提出利用单点扫描跟踪方式进行相位工作点的跟踪和主动补偿，有效地提高了系统的长期稳定性和密钥信息占空比。
5，红外通信波段的单光子探测技术目前成为影响量子保密通信技术得以应用的重要瓶颈技术之一。普遍用于该波段的探测器是基于雪崩光电二极管的盖革工作模式，较高的后脉冲严重影响了单光子探测器的工作频率，目前的频率一般在兆赫兹的数量级。我们将传输线上的瞬态过程产生超短电脉冲的技术与雪崩光电二极管的单光子探测应用联系起来，提出了利用传输线上的瞬态过程进行雪崩光电二极管雪崩抑制的技术方案，这种方案的特点是抑制过程非常快，并同时具有较短的死时间，这个特点可以有助于提高单光子探测器的探测速率，并可有效降低后脉冲，减小误码率。