密码学是一个古老而新兴的学科。很久以前,人们就已经学会使用各种加密术来加密明文,达到隐藏讯息的目的。但是直到近代密码学才上升到理论的高度,发展成为严格的科学体系。目前广泛使用的传统密码学是基于数学运算的复杂度来保证通信的安全性,但是随着分布式计算和量子计算机的发展,传统密码体制面临着严峻的挑战,人们开始探索新的加密手段。“一次一密”是一种理论上绝对无法破解的加密算法,虽然其算法简单,但是由于实时安全的分发大量随机密钥存在困难,“一次一密”很难付诸实践。1984年,Bennett等人提出了量子密钥分发(Quantum Key Distribution, QKD)的基本原理,指出通过单光子的量子特性可以实现绝对安全的密钥分发。从此,基于量子密钥分发技术和“一次一密”的原理,真正安全的量子保密通信应运而生。量子密钥分发有多种协议,其中BB84协议是目前使用最广泛研究最深入的协议,其安全性得到了完全的证明。BB84协议按照编码方式的不同可以分为偏振编码和相位编码,由于光子的相位信息可以在光纤中稳定传输,相位编码在光纤通信中应用较多。论文主要研究对象基于Faraday-Michelson干涉环的BB84相位编码的高速QKD系统。其中Faraday-Michelson干涉环可以自动补偿光纤中的双折射效应造成的偏振态改变,使得调相与偏振无关,系统比较稳定。在该系统中,发送端和接收端都需要调相器(Phase Modulator, PM)随机产生四种不同的相位,一般的传统做法是通过数字模拟转换器(Digital-to-Analog Converter, DAC)产生四种不同的电压来编码出相应的相位值。但是对于高速系统,目前DAC电平的建立稳定时间(Settling time)是个极大的问题。由于在法拉第-麦克尔逊方案中,需要随机变化的四种电平,且要求电平能够在光子往返PM的时间内保持不变。这就要求模拟电压的跳变时间(即建立稳定时间)必须很短,而即使是超高速DAC,这个时间也在ns量级。论文提出了基于SERDES的双调相量子密钥分发方案。SERDES即串行收发器,是Serializer和Deserializer两个词的简称,可以用来产生和接收高速的数字信号。其特点是频率高达GHz量级,电平跳变沿达到亚纳秒量级,过冲小,电平稳定,信号完整性好.FPGA中的高速收发器就是一种高速的SERDES技术,通过这种技术可以产生很高速度的随机相位调制信号,可用于QKD系统的相位编码。由于BB84协议的要求,收发双方必须产生四种不同的相位,而一路SERDES只能产生两种电平,调制出两种相位。为此,论文提出了一种双调相器结构,利用两路SERDES分别驱动双调相器的两个电极产生调制相位,一路用于调制0,π相位,另外一路用于调制0,π/2相位,两两相加可以得到我们所需的四种相位。这就是这种高速方案的基本思想。方法的具体技术路线是通过FPGA内置的高速SERDES信号作为调制信号源,通过可调节增益的射频放大器进行放大输出,作为相位调制器的驱动信号。目前我们设计的FPGA可以产生200Mbps-2Gbps的高速调相数据,通过6GHz程控增益可变的宽带射频放大器可以将低压摆幅的数字信号按照模拟信号处理,放大成4V左右的高速调相信号。实测该电路产生800Mbps的调相信号眼图清晰,眼高和眼宽满足调相需求,可以满足目前高速量子密钥分发系统的需要。利用SERDES技术,我们还开发出高精度的单光子探测器(Single Photon Detector, SPD)时间甄别电路,用于分辨出探测到光子的具体位置信息,用于QKD中的对基过程。我们通过设计具有多电平处理的SPD缓冲电路、扇出和延时电路经SERDES接收后转换成为低速并行数据流,通过FPGA中的内嵌时间甄别技术可以捕获SPD的跳变沿信息,对其编码即可以得到它的时间位置信息。目前由于调相器和探测器的速率限制,整套高速电子学系统降频工作在200MHz系统频率,即光脉冲的重复频率为200MHz。我们基于交流耦合方式提出了新的参数确定方法,并使用BiasT硬件扫描技术实现了系统相位的实时补偿。通过关键信号的测试,我们发现SERDES高速随机调相的带宽问题,指出通过改善电路的低频响应来保证随机调相信号的稳定放大。通过对样机测试结果的分析,我们给出了影响量子比特误码率(quantum bit error rate, QBER)的主要因素,并对样机系统的误码率和过筛密钥(Sifted Key)进行了长期监测,由于受到所用光源的消光比的影响,目前系统误码率约在4.3%左右,以平均光子数0.5的诱骗态为例,系统在50KM下的Sifted Key生成率约为100Kbps。系统软件采用多线程设计,对基、纠错、保密放大等过程不会影响系统效率,样机系统的平均效率在90%左右。论文最后分析并指出了限制下一步高速QKD的主要因素,并给出了可能的解决办法。高速量子密钥分发是一个复杂的系统,对光学系统、电子学硬件系统和计算机软件系统的要求都非常高。论文在高速调相方案上给出了一种设计思路,并进行了初步的实验研究,但是后面需要做的事情还有很多,我们应当积极投身到高速量子密码的开发研究之中,为国家和公众的信息安全添砖加瓦。