量子密码学是基于“量子信息”的概念,将密码学和量子理论结合在一起而发展起来的一门学科。它涵盖了数学、物理、通信、电子系统和电路、计算机科学等诸多内容,对它的研究充满了挑战和希望,不仅令我们更加准确地认识、理解和利用自然世界,同时也对国防事业具有重大意义。量子密钥分配(Quantum Key Distribution,QKD)是量子密码学的核心内容,它解决了如何安全地分配密钥的难题,配合以绝对安全的一次一密(One-Time Pad)加密方法,就可以为信息传输提供无条件安全保证。目前量子密钥分配技术的发展已经达到实用化的程度,对它的研究集中在高速、低误码率、长距离、安全性、大量实用化等方面,最终目标是实现高速实用的安全密钥。本论文调研了QKD的协议和系统实现,将我们实验室前期搭建的一套200MHz相位编码BB84QKD系统扩展到了诱骗态协议,解决弱相干光源带来的安全漏洞。随后我们对该系统进行了极限性能测试,进而分析认为影响其安全密钥产生率的瓶颈从大到小依次是脉冲重复频率、纠错算法效率、USB读取速率和对基速率。鉴于此,我们设计了支持800MHz脉冲重复频率的单板控制电子学,实现了该电子学和PC机之间的PCIe总线数据传输。给出了基于FPGA硬件的对基实现方案和LDPC纠错实现方案,为下一步实现高速安全密钥生成率打下了基础。研究了两种支持硬核CPU的FPGA芯片,为实用化节点型高速QKD系统提供可行方案。原有200MHz QKD系统基于专用SERDES硬核IP产生高速电子学控制信号,各信号之间用延时电路对齐,从而实现对光脉冲的高速调制和SPD探测信号接收。在本论文中,由于受到开发板的专用SERDES硬核IP的数量限制,我们采用FPGA中的LVDS SERDES来产生诱骗态协议要求的IM(强度调制器)驱动电压,这种方案可以产生1Gbps的数字信号,对200MHz的系统完全够用。同时我们利用数字双相码对调制信号进行编码,代替原系统采用的单极性编码,从而解决了系统的低频响应无法支持诱骗态调制信号产生的直流分量的问题。该系统足以满足数字双相码致使频带加倍的特点。本论文针对诱骗态协议设计了系统软件,该软件采用客户端／服务器架构和多线程技术高效实现了基于诱骗态的BB84 QKD协议。软件还针对诱骗态系统设计了完整的工作参数扫描方法。最终我们在该系统上实现了200MHz脉冲重复频率,得到25km、33kbps的安全密钥率,信号态平均误码率为2.35%,系统可以长时间稳定运行。我们针对该系统性能瓶颈而设计的支持800MHz诱骗态协议脉冲重复频率的单板控制电子学已通过测试,可以产生800Mbps伪随机数,PCIe总线接口的总体传输速度达250MB/s,传输的峰值为1 GB/s。下一步我们要做的工作是在现有电子学系统和硬件算法设计的基础上,结合光学系统搭建出高速QKD系统,得到更高的安全密钥生成率。进一步利用FPGA硬核CPU搭建实用的节点型高速QKD系统,组建大规模量子密钥分配网络,最终实现网络大数据范围的量子实时加密通信。使我们的QKD研究立于国际先进水平,同时为祖国的通信安全事业做出自己的贡献。