保密通信是人类文明发展过程中不可或缺的需求之一。如何在通信过程中确保安全性，经典密码学给出了基于计算复杂度的答案。然而，算力的每次提升都会使这类保密技术面临在短时间内被攻破的风险。一次一密是一种能够实现无条件安全的加密手段，但是该方案对密钥的消耗巨大，安全地对密钥进行分发是其应用的主要困难。而量子密钥分发的出现则解决了密钥安全分发的难题。
　　量子密钥分发(QKD，Quantum Key Distribution)能够借助量子物理的规律，在两位合法用户之间安全地共享一串可以作为密钥的随机数。自1984年第一个QKD协议——BB84协议正式提出以来，QKD一直在进行实用化的探索。其中，安全性和实用性是两个重要的方面。在QKD系统中，负责对量子态进行探测的测量设备直接关系到系统的密钥生成效率，同时也是系统成本的主要来源之一。测量设备一方面通过解码器实现对量子态的路径解析，另一方面则通过探测器对对应路径上的量子态进行探测，从而根据不同路径模式的响应情况生成密钥。从安全性角度，尽管由测量设备非理想特性引起的侧信道漏洞可以借助测量设备无关协议(MDI，Measurement Device Independent)进行规避，但MDI协议也面临密钥率低、网络化部署门槛高的问题。
　　建模和优化是解决实用化问题的两个有效手段。对测量设备的精确建模，可以作为安全性分析和优化的基本工具;而测量设备的性能和方案成本的优化可以全面提高QKD系统的实用性。本文就从这两个方面进行展开，相关研究成果概括如下:
　　1.针对实用化QKD系统中常用的雪崩探测器，本文通过对其后脉冲效应的严格分析，建立了系统光脉冲、暗计数和后脉冲三种触发机制的响应模型。本工作弥补了过去QKD模型中对后脉冲分析的短板，实现了对探测器的精确刻画。由于探测器的后脉冲效应会随着系统重复频率的提升而增强，该模型可以对高后脉冲QKD系统的响应进行准确描述，提高优化参数的匹配程度，从而提升系统的安全密钥率。
　　2.由器件非理想特性引起的误码构成了QKD系统的本底误码。尽管存在各式各样的非理想因素，但本底误码最终可以归纳到测量设备端解码器对量子态不正确的路径映射上。本文通过对解码器的精确建模实现了对本底误码物理图像的忠实呈现。该模型不仅纠正了原有本底误码模型对多光子脉冲行为的不恰当描述，从而实现了对弱相干态光源的准确兼容，还修正了原有模型对系统误码来源之一的双响应事件的过低估计。
　　3.解析模型可以对设备非理想特性进行归纳从而实现系统层面的宏观分析，但对复杂系统中针对某个具体的非理想特性进行分析研究的需求却无能为力。本文借助离散事件系统建模和基于模型的设计，针对QKD系统中常用的光学器件分别建立了能准确描述该器件非理想特性的独立模型。不同于以往以经典电磁场理论为基础的工作，该模型基于量子语言，可以实现对包括亚泊松分布、光子反聚束效应、非局域性等量子特性的模拟。以这套模型为基础，可通过参数的自由设置和器件的自由组合实现对任意QKD系统的仿真，从而可以在微观的角度针对具体的非理想特性展开研究，为解决QKD实用化中的工程问题提供帮助。
　　4.QKD网络是实用化研究的重要课题，也是量子互联网的关键阶段之一。基于以上模型工具，本文开始着手研究QKD网络的优化问题。为了达到最优性能，QKD系统的运行参数一般需要预先进行优化。此前，包含弱相干态强度、随机选基和随机选强度概率在内的优化参数基本局限于QKD系统的发射端。本文则基于测量设备的模型，提出将雪崩探测器的探测效率、暗计数概率和后脉冲率纳入到优化参数中，并提出通过改变雪崩二极管的偏置电压和环境温度实现上述参数的调节。通过扩大优化问题的搜索空间，该工作进一步提高了QKD网络的安全密钥率，并提供了一条参数优化的新思路。而得益于探测器的独特地位，该方法也适用于各种QKD协议和组网方案。
　　5.MDI网络是提高网络实际安全性、实现量子互联网中非可信节点网络的理想选项之一。然而由于测量机制的不同，MDI网络与现在技术相对最成熟且应用最广的相位编码BB84网络无法兼容。本文对MDI协议的测量方案进行重新设计和优化，借鉴经典5G无线网络的部署模式，提出了非独立组网MDI方案并进行实验验证。该方案解决了MDI系统与BB84系统的不兼容问题，可以在无需付出额外硬件成本的条件下，立即使现有相位编码BB84网络支持MDI协议。通过双协议的支持，该方案可以满足用户对高性能或高安全性的场景需求，并可以充分利用BB84网络的现实基础降低MDI网络部署的门槛，加快MDI网络的实用化进程，为量子互联网的发展提供助力。
　　总体来说，本文建立了一套准确描述测量设备的解析模型和一套针对器件非理想特性的通用QKD仿真模型，并进一步提出了改善QKD网络性能和推动MDI网络化的优化方案。这些模型工具和优化方案从测量设备的角度为QKD的实用化提供了帮助。