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量子通信是量子力学和通信理论交叉融合而成的新型交叉学科，它所具有的高速、超大容量和绝对安全的特性使其具有无以伦比的发展潜力和应用前景。在自由空间量子通信中，携带量子信息的光子偏振态、纠缠态必然会受到大气湍流的干扰，从而影响量子通信的稳定性。然而，目前自由空间量子通信的实验研究发展迅速，但是相关的理论研究相对滞后。因此，论文利用量子Stokes算符描述、广义Huygens-Fresnel原理、Rytov近似方法等，从理论上研究地-空大气湍流信道中光子偏振态、纠缠态的保持问题，对于自由空间量子通信的系统设计、光源选择以及参数调制都具有一定的理论意义和应用价值。论文的主要工作如下。(1)针对Hermite-Gauss和Laguerre-Gauss光束两类多模Gauss光束，利用量子Stokes算符和广义Huygens-Fresnel原理，建立了湍流大气信道中的量子偏振起伏理论模型，并研究了大气湍流引起的量子偏振起伏规律。研究表明，选择较低阶模数、较高光子数密度、较短波长和较高相干性的光束可以有效控制信道产生的偏振噪声，从而保持编码信息的稳定性。(2)针对非衍射型Airy光束，基于量子Stokes算符和广义Huygens-Fresnel原理，建立了湍流大气信道中Airy光束的量子偏振度理论模型，研究了湍流引起的偏振噪声的扼制问题。研究表明，选择Airy光束为光源的量子通信系统比选择Gauss光束具有更强的抗大气湍流干扰的能力。(3)针对多Gauss-Shell光束，基于湍流大气信道中的量子偏振起伏模型，研究了该光束在大气湍流中的量子偏振起伏规律。研究表明，多Shell类光束光源不利于信道偏振噪声的控制，同时，当以多Gauss-Shell光束为量子通信系统的光源时，应注意采用高空间相干度、多光子数和较短波长光束的系统设计观点。(4)分别以Gauss-Shell光束和部分相干空心光束为泵浦光，基于Rytov近似和近轴近似方法，建立了湍流大气信道中的空间双量子比特态并协度的理论模型，研究了空间双量子比特态在大气湍流信道中的纠缠度变化规律。研究表明，在基于双量子比特纠缠态编码的光量子通信系统中，尽量缩小信号和空闲孔的有效物理尺寸以及它们之间的位置间隔有助于保持纠缠度，同时，选择较长波长泵浦光束以及较大折射率功率谱指数和湍流内尺度的湍流环境会有利于纠缠性质的保持，从而提高量子通信系统的性能。