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量子通信是量子力学和通信理论相结合而产生的交叉学科,具有高效率和无条件安全等特点。基于量子密钥分发的量子保密通信是现阶段发展最快且最具实用性的量子通信技术。量子密钥分发利用海森堡不确定性原理和量子态不可克隆定理,在通信双方之间协商出一串共享密钥,基于该密钥对经典信息进行一次一密的加密,可实现信息的安全传输。随着点对点量子密钥分发技术实用化的推进,量子通信正逐步走向网络化,以使更多的用户间实现安全量子通信,因而量子复用技术成为研究的迫切需要。本文围绕光量子信号复用技术展开研究。首先,简要阐述了量子通信的相关基础,包括量子比特的概念、性质和常用的逻辑运算,详细说明了BB84、B92和E91协议三种主要量子密钥分发协议,给出了量子通信网络的功能架构,并介绍了量子密钥分发系统中典型的复用技术,如波分复用、码分复用、正交频分复用等;其次,提出了一种基于量子态融合与分割的复用与解复用方法,该方法采用光量子态融合操作及相关量子线路可将两个输入端的两光子的偏振态变为由一个光子的偏振/时间模来承载(复用);采用光量子分割操作及相关量子线路可将处于偏振/时间模的单光子态恢复为两个光子的两个偏振态(解复用),并将这种复用方法应用于BB84协议下的量子密钥分发系统,分析了在探测器暗计数与偏振失配两种噪声因素影响下的系统性能,结果表明采用这种复用方法后,对于不同的噪声参数其误码率由10%~3%降至5%~2%,密钥率提高了3~10倍,通信距离增加了6~30千米;第三,研究了量子时分复用技术,设计了一种新型光量子时分复用线路和光量子时隙交换线路,同时给出了BB84协议下TDMA(Time Division Multiplexing Access)多用户量子密钥分发过程,并将基于TDM(Time Division Multiplexing)的QKD(Quantum Key Distribution)方案和基于量子态融合/分割复用的QKD方案进行仿真对比,结果表明这两种方案对QKD系统的性能都有一定的提升,而基于量子态融合/分割复用的QKD方案相比基于TDM的QKD方案在计数率、量子比特误码率、最终密钥率和传输距离等方面显然更有优势。最后,总结了论文的主要内容,并对后续的相关工作进行了展望。