二十世纪是量子力学在应用领域取得突破性进展的一个世纪，量子的不可分解性和纠缠特性作为量子力学的两大显著特征成为了量子保密通信实现应用的基石。量子保密通信是以单光子为信息载体，基于随机数信息编码，由量子力学的基本原理保证安全性的保密通信方案。选用单光子雪崩二极管(SPAD)作为单光子的探测器件，单光子探测器的性能是决定量子保密通信的作用距离、误差率等指标的关键。另外，获得真随机数是实现量子保密通信安全密钥分发的重要单元技术。为此本论文的研究目的就在于提高单光子探测器的性能，实现单光子的路由操控，获得实用化的真随机源以完成对单光子的安全信息编码。研究工作主要包括以下三个方面。 第一，提出多种SPAD工作电路方案，提高了雪崩信号的输出幅值，获得了高计数率的标准TTL通信信号。目前广泛采用的单光子探测器工作电路主要采用SPAD的被动淬灭工作方式，这种单光子探测器工作电路有两个比较明显的缺点，其一是光子探测所产生的雪崩信号的幅值太低(20-30mV)，不利于雪崩信号的采集和处理；其二是光子探测所产生的雪崩信号之间的时间间隔太长，即雪崩恢复过程的等待时间(死时间)太长，导致恢复时间内单光子信号的丢失，计数率降低，探测器的性能下降。本论文对SPAD工作性质的研究主要就针对解决这两个问题而提出。首先，针对小幅值雪崩信号输出问题我们提出采用小电容提供交流通道方案改进了原有的SPAD雪崩被动淬灭电路，对雪崩信号的幅值实现了一个量级的提高。改进后电路输出的雪崩信号可以很容易的触发信号处理电路中的比较器，缩减了雪崩信号的放大过程，简化了雪崩信号的采集步骤。同时，设计出可靠实用的雪崩信号处理电路，获得了很好的TTL数字通信信号(申请中国专利：03230983.x)。再次，为了进一步提高SPAD的性能，解决死时间太长的问题，我们提出采用主动快恢复技术，设计了缩短死时间的被动—主动相结合的雪崩淬灭电路，制作出高量子效率、低噪声、短死时间的SPAD光子探测器，探测器的死时间由原来的>2us缩短为<100ns，计数率提高了1个数量级(申请中国专利：03141680.2)。进一步利用TAC／MCA技术对SPAD输出信号进行了光子自相关测量，研究了两个相邻单光子计数脉冲时间分布统计效应，直接观测到了采用被动—主动混合抑制技术后死时间的改善(《半导体光电》发表文章)。论文摘要 第二，验证了基于光量子偏振特性的真随机源方案并实现了系统的集成化和实用化。首先讨论随机数的数学机理，研究数学和物理上获得随机数的方案。针对量子保密通信对真随机数的要求，基于单个光子在分束器两侧所表现出来的量子随机性，讨论了几种获得真随机数的方案。其次，着重研究了基于单个光子在偏振分束镜两侧偏振分束所表现出的随机特性获得真随机数的实验方案。首先从可行性的角度对实验方案进行了求证，获得了二进制随机码的嫡值0.999999等很好地随机结果(((物理学报》发表文章)。最后，从实用性的角度出发，实现了结构紧凑、实用化、集成化的随机数发生器。巧妙设计LD驱动电路和调制电路，获得了低输出功率、结构紧凑、高频调制的LD脉冲光源，经衰减后满足准单光子源的要求;利用高效SPAD光子探测器探测随机信号，获得高计数率的随机数信号;同时采用同步符合技术提取有效信号;再送入数据采集卡采集信号，在计算机中记录下所得到的二进制随机码;最后采用国际通用的随机数检测程序(ENT)直接对二进制随机码进行随机性分析。 第三，实现了空间和光纤中对单光子的路由操控。基于M一Z干涉仪原理，采用多种方案分别对空间和光纤中的单光子路由操控进行研究，验证了对单光子路由操控的可行性，实现了光子在节点上的路由(((光子学报》发表文章)。对量子电路中各种逻辑电路的光学实现进行可行性分析，并将对单个光子在光学节点上有序操控的研究作为量子网络发展的一项关键单元技术，旨在未来量子网络的研究中得到更为广泛的应用。