近年来,量子通信凭借其高保密性、高效率等特质,在各大媒体中频频亮相,吸引了广泛的关注。量子密钥分发（Quantum Key Distribution,QKD）作为量子通信中的关键技术,依据“量子不可克隆定理”和“海森堡测不准定理”在信息加密方面展现了一定的优势。在QKD中,发送方将信息编码到量子态上,通过信道与接收方共享随机产生的密钥。但实际上,量子密钥分发系统和理论上存在一定的出入,从而会其传输密钥的效率,即密钥率。不管是通过自由空间还是光纤信道都会受到不可避免的噪声影响,造成密钥率过低。除了信道以外,还受到用于QKD实验搭建的技术手段限制,例如探测器探测效率过低,光源产生用于携带信息的单光子比例较低等问题,制约着QKD效率的提高。密钥率和最大安全传输距离都是衡量一个QKD协议性能的关键所在,也是目前面临的两大难题。自第一个QKD协议BB84于1984年提出,此后的三十余年,QKD协议基于其性能优化在不断更新。故本论文主要通过分析影响密钥率因素,以提高密钥率为最终目标,从三个方面入手对QKD协议进行密钥率优化研究。具体内容如下:（1）理论优化:由于大部分QKD协议使用弱相干态光源（Weak Coherent Source,WCS）,其单光子比例较低。从而在Bennett于1992年发表的量子密钥分发协议（B92）上引入轨道角动量（Orbital Angular Momentum,OAM）和脉冲位置调制（Pulse Position Modulation,PPM）技术,提出基于OAM态和PPM调制的B92协议（PPM-OAM-B92）。PPM帧中的时隙位置将携带n位的编码信息,单光子携带的信息扩大为原来的n倍。同时OAM态解决了基的依赖性问题并增加了安全传输距离。实验结果表明PPM-OAM-B92协议可有效提高密钥率和安全性。（2）设备优化:提出了一种基于预报单光子源（Heralded Single Photon Source,HSPS）的三诱骗态的相位匹配量子密钥分发协议（Phase Matching Quantum Key Distribution,PM-QKD）,称为三诱骗态HSPS-PM-QKD协议。通过分析WCS和HSPS光源的性能,得出HSPS比WCS光源产生单光子概率更高的结论,并且能有效降低光子数分离攻击（Photon Number Splitting Attack,PNS）攻击,减少信息泄露。实验结果表明改进后的协议提高了原协议的密钥率以及安全传输距离。同时基于有限诱骗态协议,制备更加简单实用。（3）技术引入:由于量子通信网络的发展为QKD系统设置参数带来了巨大的计算量,引入机器学习的方法在已知“实验参数”（例如信道损耗、探测器效率、相位失调、暗计数等）的情况下,快速预测能得到最优密钥率下的“光强参数”（信号态和诱骗态的强度以及概率）设置。基于Wang W提出的多层感知机模型（Multilayer Perceptron,MLP）引入了岭回归和批归一化得到新的模型（MLP-AN）,提高模型的拟合能力,从而得到更好的预测效果。并通过与MLP模型对比实验进行分析,表明优化后的模型在预测QKD“光强参数”拟合性更好。综上所述,本文从三个方面入手对QKD密钥率进行改进,他们分别是本文提出的PPM-OAM-B92协议、三诱骗态HSPS-PM-QKD以及MLP-AN模型。他们都在密钥率优化方面得到了较好的效果。最后对量子密钥分发系统的可优化方面进行了总结和展望。