自从第一个量子通信实验完成之后,量子通信的实验研究逐渐发展起来并日趋成熟,目前主要工作是寻求量子通信与实际应用的结合。卫星量子密钥分配已经成为一项全新的开创性研究工作。为了实现卫星量子通信,首先需要采用卫星光通信中的瞄准、捕获和跟踪技术以建立链路,以捕获单光子。一旦卫星量子通信实验取得成功,人们就可以通过卫星实现最安全的全球通信,奠定绝对安全的全球天地一体化光通信网络的实用化基础。对目前流行的加密技术中的BB84、E91、B92量子通信协议进行简单介绍,并进行仿真分析得出500组随机生成密钥的平均值和方差。从麦克斯韦方程出发,基于量子力学的概率诠释,分析并完善了单光子捕获概率理论模型。基于TEM₀₁模拉盖尔—高斯光束和TEM₂₀厄米-高斯光束,分析了单光子捕获理论模型,得到两种高斯光束的单光子捕获概率均一般在10^-2～10^-4量级。针对低轨卫星—地面站间链路,采用高阶高斯光束,单光子捕获采用前驱波参考脉冲设置时间窗口的方法,可使得接收机以最大概率捕获光子。基于BB84协议,建立低轨卫星-地面站间量子通信系统模型。对单光子捕获概率、量子比特率和量子误码率进行了数值计算分析。结果表明,在低轨卫星-地面站间进行量子通信是可行的。本论文的研究工作为实现卫星量子通信中的关键技术,为实际卫星量子通信系统设计提供了理论基础。