量子信息是量子力学和电子信息科学、计算机科学相结合的一个新型的研究领域。其中,最广泛应用的是拥有坚实的理论基础和实践证明的量子密钥分发,它利用量子力学中的量子不可克隆原理和量子测不准原理来实现无条件绝对安全的保密通信。但实际的量子密钥分发系统的中所采用的器件的非完美性,可能存在和安全性假设不完全一致的缺陷,容易受到窃听者攻击从而导致其安全性大幅度下降。测量设备无关量子密钥分发协议（MDI-QKD,Measurement-DeviceIndependent Quantum Key Distribution）是一种能够解决实际系统中最严重的探测端漏洞问题的方案,使得实验系统可以免疫各种形式的对于探测端的攻击,大大提高了系统的安全性。在以自由空间为信道的MDI-QKD实验中,为了提高其密钥产生率,除了保证各实验设备高性能运转外,相关处理算法和软件也尤为重要。本论文主要针对自由空间MDI-QKD实验系统,开展了相关软件的设计与实现,主要工作包括:（1）时间同步方案及实现在自由空间MDI-QKD系统中,虽然可以采用高精度的原子钟作为时间的基准,但由于高速QKD系统中量子脉冲的周期很小,在纳秒级甚至更短,因此需要利用同步信号,通过软件算法对延迟时间进行精密测量并进行及时的补偿。另外,Alice和Bob分别到测量者Charlie的距离不完全相等,为了保证两端的量子脉冲同时到达以产生干涉,也需要进行时间的同步和补偿。本文针对自由空间MDI-QKD系统的时间同步需求,设计和实现了相应的算法和软件,最终实现了小于50ps的时间同步精度。（2）基矢比对方案及实现与BB84协议相比,MDI-QKD协议参与方由两方（发射方Alice和接收方Bob）扩大到三方（发射方Alice、Bob和测量方Charlie）,基矢比对时需要对发射脉冲进行时间符合甄别,由于组合的基矢数量也很多,因此QKD数据后处理过程中的基矢比对方案需要重新设计和实现。本文针对MDI-QKD系统的基矢比对软件进行了研究和实现,并在实验系统中进行了测试,测试结果显示,软件处理结果与系统实验参数相吻合。（3）波前矫正方案及实现此外,MDI-QKD系统中,由于发射方由Alice单方变成了Alice和Bob两方,链路的传输距离为Alice和Bob分别与Charlie距离之和,不可避免造成了传输链路更长,从而导致链路的能量衰减也更加严重。在自由空间QKD系统中,大气湍流是影响链路效率的重要因素,它使得光波在到达接收望远镜接收瞳面时的相位平面发生畸变,从而导致接收到的能量减少。采用对波前的相位畸变进行矫正和补偿的方式,可以有效地提高自由空间QKD系统的链路效率。本文采用Zernike多项式对波前进行描述,提出了基于深度学习的双通道CNN神经网络方案对Zernike系数进行预测,实验结果表明整体预测的平均误差期望不超过真实系数的10%,可以有效地对波前进行还原。