作为量子力学与信息科学的交叉学科,量子信息处理得到越来越迅速的发展,其中的量子通信与量子计算是量子信息处理中发展最快的两个方向:一方面,量子通信利用量子不可克隆原理从物理上保证无条件安全的量子保密通信,在光纤介质和自由空间介质中均突破百公里量级的传输距离;另一方面,量子计算利用量子态的叠加与纠缠原理实现经典计算无法比拟的处理优势,根据理论推算,当量子比特数达到50位时,基于量子比特的量子计算机在特定方面的计算能力就能超越目前的经典超级计算机。星座式全天候量子通信网络是自由空间量子通信的长期发展目标。目前的地面实验已验证卫星平台下量子通信的可行性。在卫星平台上实现量子通信,在空间和体积的约束条件下,要求实现小型化的终端设备,需要集成化的量子密钥分发控制系统。在本论文工作中,针对载人航天小型化量子密钥分发控制的具体需求,采用SOC集成控制技术,设计了一套包含随机数制备,时间同步,量子光源编码调制,激光调制收发,密钥提取算法等功能的小型化量子密钥分发集成控制系统。该控制系统在一块集成PowerPC 405硬核处理器的FPGA中实现。提高功能集成度的同时,减少了各试验功能间的控制交互。系统在地面通过严格环境测试,功能性能测试。在轨运行期间,时间同步精度、激光器温控精度等指标要求达到系统设计指标,为后续的小型化星载量子密钥分发系统研制打下了良好的技术基础。量子信息的另一个方向的延伸是具有强大计算能力的量子计算。超导量子比特作为最有可能的量子计算方案之一,其在保真度,退相干时间,可集成度等几个方面都有不错的表现。基于半导体工艺的样品加工方式使得超导量子比特在突破技术瓶颈后,比特数能大规模扩展。这就给超导量子比特的测控系统提出了多方面的性能要求,包括微波调制信号的制备,多通道调制信号的一致性,可扩展性,反馈速度和空间约束等多个方面。本论文进一步利用集成控制方案进行超导量子计算控制系统的设计。超导量子计算中量子比特控制是通过微波信号的方式实现的,而任意波形发生器是生成微波调制信号常用的一种方案。但是由于具有该功能的商业设备底层的控制逻辑不可定制,控制的灵活性不够;且由于其体积过大,在超导量子比特样品通道数增加的时候,有限的试验空间不利于试验的开展。同时,为了更好的量子比特保真度的和退相干时间,信号源的采样速度,垂直分辨率要求分别达到1GSPS和13位。以任意波形发生器为原型,针对集成度,采样率,垂直分辨率等指标进行改进。本文设计了一套高集成度的,采样率和垂直分辨率分别达到2GSPS、16位的任意波形发生器,并应用于量子计算样品控制。在可扩展性方面,当量子计算样品量子比特数增加时,对控制通道的数量要求也同步线性增加,但对各通道的同步输出精度依然要求在100ps以内。在本论文工作中利用同源时钟技术,设计了一套可扩展多通道同步控制系统,同步抖动精度达到20ps,各同步通道延时独立可调,满足量子计算试验控制现在与未来一段时间内的同步精度需求。本论文工作中,完成了多通道量子比特信号分发控制与数据获取系统、高速高精度波形发生器,高精度同步控制系统等研制工作。建立了一套可扩展的超导量子比特控制与测量设备,并在此基础上完成了 10比特超导量子样品控制实验。本论文工作的创新点在于:1.将SOC集成控制与软硬件协同应用于载人航天量子密钥分发控制系统,首次实现基于载人航天系统的小型化量子密钥分发试验终端。系统通过一系列环境测试与在轨测试,完成了 400-700公里距离基于空间平台的量子密钥分发。2.研制了可任意扩展通道数的超导量子比特室温电子学控制系统,实现采样率为2GHz,垂直分辨率为16位的多通道任意波形发生器,并完成10量子比特样品的控制测试。3.研制了同步精度为20ps,同步通道数达40通道的可扩展同步控制系统,达到量子计算对高精度同步的技术要求。