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目前为止,激光通信系统中得到工程化应用的接收机都是经典接收机,经典接收机以经典电动力学和经典检测与估计理论为基础,其误符号率的性能极限称为标准量子极限。已有的研究表明,从量子电动力学和量子检测与估计理论出发,能够设计出误符号率可以突破标准量子极限的量子接收机。量子接收机误符号率的性能极限称为Helstrom极限,与标准量子极限相比,Helstrom极限在性能上有很大程度的提升。自从上世纪六十年代末人们获得对Helstrom极限的认知以来,如何从物理上实现量子接收机,使其误符号率能够突破标准量子极限并不断逼近Helstrom极限,一直吸引着广大研究者的目光。长期以来,受限于技术发展水平,量子接收机物理实现方案的研究进展缓慢,直到最近几年才取得了一些突破性的成果。尽管如此,当下关于量子接收机的研究仍然停留在实验演示验证阶段,要想使得量子接收机在激光通信系统中得到工程化应用,还有不少问题需要深入研究。在本论文中,我们首先回顾了信息技术和激光通信系统中的接收机从经典到量子的发展历程,接着介绍了激光通信系统中接收机设计的理论基础。在此基础之上,本论文深入研究了空间光通信系统中量子接收机的设计与分析,主要工作包括：(1)二元调制激光通信系统中的量子接收机。以包含接收机各器件非理想性的最优位移量子接收机模型为基础,我们获得了包含接收机各器件非理想性的分区检测量子接收机的解析模型。从该模型出发,我们分析了探测器量子效率η、探测器暗计数v、波束分束器损耗τ、本振场与信号场模式失配ξ等接收机器件非理想性对分区检测量子接收机性能的影响。针对不同分区策略,我们对分区检测量子接收机的性能进行了仿真,通过对不同分区策略下仿真结果的对比研究,给出了工程实践中选择分区策略的基本原则。(2)多元调制激光通信系统中的量子接收机。首先,针对M-ary PSK调制,我们得到了包含接收机各器件非理想性的ON-OFF探测分区自适应测量量子接收机的概率仿真模型。从该模型出发,通过蒙特卡罗仿真,我们分析了各器件非理想性对QPSK调制和8-PSK调制ON-OFF探测分区自适应测量量子接收机性能的影响。在此基础上我们指出,使用具有光子数分辨能力的单光子探测器(PNRD),可以有效抑制本振场与信号场模式失配ξ对该量子接收机性能的影响,并对PNRD光子数分辨能力不同时该量子接收机的性能进行了仿真。接下来,我们将分区自适应测量量子接收机应用于QAM调制信号的量子接收,详细分析了不同条件下16-QAM调制分区自适应测量量子接收机的性能。最后,为了能够只使用ON-OFF单光子探测器而不使用PNRD,并且采用较少的分区数目来突破16-QAM调制的标准量子极限,我们在深入研究QPSK调制经典-量子混合接收机的基础上,提出了针对16-QAM调制的经典-量子混合接收机。(3)自由空间激光通信系统中大气湍流效应对量子接收机性能的影响。我们首先回顾了大气湍流效应的建模方法。在此基础之上,结合无湍流时量子接收机的误符号率,我们给出了分析大气湍流效应对量子接收机性能影响的方法。最后,作为一个实例,我们给出了考虑了大气湍流效应之后,QPSK调制ON-OFF探测分区自适应测量量子接收机的性能曲线。