随着通信工程的快速发展,信息安全受到越来越多的关注。在如今这个大数据、信息化的时代,信息泄漏事件时有发生。现有的依靠数学复杂性而形成的密码系统远远不能满足社会的安全需求。而在信息领域,量子特性拥有着独特的功能,在确保信息安全、增大信息容量等方面有望突破现有经典信息系统的极限。近年来,量子信息在理论、实验和应用领域都取得重要突破。其中,量子保密通信是以量子物理定律作为安全保障,并结合了经典密码学以及经典通信理论的交叉学科。作为量子力学和电子信息科学、计算机科学相结合的一个新型研究领域和实用化技术,量子保密通信在一定程度上已经实现了商业应用,而且具有广阔的市场应用前景,尤其是在军事、金融、信息密保等领域。在量子通信领域中,量子密钥分发(QKD)能够使两个远端的通信方Alice和Bob实现在理论上的无条件的安全通信。QKD实验系统主要包括光学系统(激光器、幅度调制器、相位调制器、可调光衰减器、电控偏振控制器等)、探测器系统(同步光探测器、单光子探测器、零差探测器等)和电子学系统。本论文作者在博士期间的主要工作是集中在QKD实验系统中的电子学系统的研制工作上,包括对高斯调制的连续变量QKD(CVQKD)实验系统中光学系统组件的控制和调节、对高斯调制CVQKD中探测器系统的数据获取和数据后处理、以及随机数的产生等,还有对测量设备无关的QKD(MDIQKD)实验系统中幅度调制器和相位调制器的控制。根据CVQKD实验的设计目标,电子学系统分为光源控制系统和主控系统。光源控制系统主要负责对光学组件直接调控。为100kHz的同步光激光器提供支持;为调制器提供的驱动电压脉冲的重复频率为20MHz,平坦区域宽度为10ns,脉冲延迟调整步长值为10ps,延迟范围为50ns,且脉冲信号的上升沿和下降沿均小于2ns;而且能够产生多路0V～5V范围内的稳定的电压,为不同的光学组件(调制器、激光器、电可变衰减器、电偏振控制器、甄别器等)提供驱动。光源控制系统的性能满足其设计要求。CVQKD实验的主控系统主要负责数据获取、数据后处理、随机数的产生等。实现了系统所需的时钟800 MHz和400 MHz的高频时钟的产生,并且质量较好,占空比基本为50%,具有可忽略不计的晃动。用于高速数据采集的ADC动态性能良好,信噪比好于55.31 dB、信噪失真比好于52.71 dB、有效分辨率高于8.46 bit,且能达到9.07 bit(200 MHz)。系统所产生的高斯随机数验证符合高斯分布,期望值μ为32771,标准差。为12383,而且数据率能够满足系统需求。通过ASIC芯片获得的两路随机数验证符合均匀分布,且远大于系统所需的数据率。并成功地实现了基于FPGA的千兆以太网通信。对于CVQKD实验来说,本论文所研制的电子学系统各项性能指标均能满足高斯调制的CVQKD实验要求。根据MDIQKD实验对调制信号的需求,研制的电压脉冲发生器在输出脉冲频率为75 MHz,负载为50 Ω的情况下,最大输出幅度高达8 V,输出脉冲的上升和下降时间低至500 ps。而且能够使强度调制器达到最佳性能,消光比实现10000:1量级,最终系统的时间态误码率约为0.034%,相位态误码率约为28%,满足了实验的设计要求。本文首先介绍了 QKD相关的理论基础、相关协议和实验进展,接着介绍了基于高斯调制的CVQKD实验系统,重点介绍了整套电子学系统的各个部分(包括光源控制系统和主控系统)的详细设计情况。然后介绍了 MDIQKD实验系统的结构,并详细阐述了电子学系统中的电压脉冲发生器模块的具体设计细节。最后给出了以上这些电子学模块的重要指标测试情况。本论文在量子通信中的电子学系统的研制方面有以下创新点:1、针对高斯调制的CVQKD实验系统,对高速数据采集、千兆以太网通信、高速并行高斯真随机数生成等关键技术进行研究,完成了电子学主控系统的设计,研发了一套多功能的光源控制系统来实现对激光器、调制器、电可调光衰减器、电控偏振控制器等光模块的控制和调节。2、在高斯调制CVQKD电子学系统的设计中,发送方Alice和接收方Bob的主控系统和光源控制系统采用了一致性设计,节约电子学的研发成本,缩短了研发周期,有利于后期维护。并且在随机数生成部分,利用国产的小体积、低功耗随机数发生器ASIC芯片,降低了系统的空间占用与功耗。3、针对MDIQKD实验系统的调制器对调制信号的需求,专门研发了一款多通道、高速、高带宽、高驱动能力、实时可调的电压脉冲发生器,提高了系统集成化,保障实验顺利完成并取得了很好的科研成果。