量子通信是量子物理与信息科学的新型交叉学科,在保密安全性上具有经典通信无法比拟的优势,是近年来国际研究的热点课题。自由空间尤其是基于卫星的量子通信摆脱了光纤的距离束缚,也为全球量子通信网的建立提供了有效途径。由于空间尺度量子通信系统中量子光发散角仅数十μrad,因此动态情况下通信链路的建立和维持是系统的重点和难点;同时通信链路的损耗直接影响误码率和通信速率以及最大通信距离,关系到系统的成败。　　 本论文基于中国科学院某知识创新工程重大项目的支持,对空间尺度量子通信中低损耗链路实现的关键技术进行深入系统研究。量子通信链路的实现依赖于高精度捕获跟踪瞄准(ATP)系统,而其损耗受到跟瞄精度、系统参数以及大气链路的综合影响。论文工作从空间尺度量子通信链路需求分析入手,通过理论计算及仿真论述了链路损耗因素及大气对量子通信链路实现的影响;重点从工程技术的角度对高精度捕获跟踪与瞄准系统进行系统设计参数及方法讨论,针对其中的关键技术进行了研究和论证;对精跟踪系统进行了详细研究,包括系统控制、设计实现及性能测试;本论文研究工作成功应用于两套量子通信系统中,并基于这两个系统平台进行了外场量子通信检验。　　 论文的主要创新点有:　　 1)提出了一套针对量子通信的链路计算和分析方法,得到了量子光发散角与ATP系统跟瞄精度的设计原则,为空间尺度量子通信低损耗链路实现提供理论基础;　　 2)研究了高精度ATP系统总体设计理论,分析了系统参数关系和确定方法,进行了捕获初始指向角计算分析及数值仿真,设计了带自校正功能的瞄准方法并进行了试验验证:　　 3)研究了压电陶瓷快速反射镜的驱动技术,以CMOS作为探测器设计并实现了精跟踪数字控制系统,并在多种试验条件下对系统性能进行了检验,最佳跟踪精度优于2urad,该系统对仪器振动和大气干扰有良好的抑制作用,满足开展远距离自由空间量子通信的需求;　　 4)该系统作为量子通信机的主要部分,参加了首次浮空平台以及目前国内最远距离的百公里量子通信外场试验,并圆满完成任务,试验充分验证了空间量子通信链路实现的关键技术。　　 本课题的研究工作完成了空间尺度量子通信中低损耗链路实现的关键技术攻关,并通过外场试验进行了试验验证,为空间量子通信的工程实施打下坚实的工作技术基础。