自上世纪90年代量子信息学诞生以来,量子信息技术便依据其自身独特的优势和潜在的应用价值得到了飞速的发展,受到愈来愈多研究学者的广泛关注。然而,当这些新兴的量子信息技术在实际自由空间环境中实施时,将不可避免会与气溶胶粒子、大气分子和湍流发生相互作用,受到大气环境的影响而使得量子系统产生非幺正演化、退纠缠以及退相干等现象,进而影响其整体性能以及其实用化进程。为了详细研究大气湍流对空间量子信息技术的所产生的负面影响,本文将目标主要聚焦在三种具体的空间量子信息技术上,它们分别是:量子密钥分发、量子参数估计以及量子目标探测。量子密钥分发主要利用量子态的叠加原理以及纠缠效应,在经典通信的协助下如何实现量子态编码信息的秘密传输;量子参数估计主要关心如何使用量子力学的非经典特性,在量子系统的动态演化中提高参数估计的测量精度;量子目标探测则主要关心如何选择合适的纠缠光源及测量策略来减小探测目标是否存在的错误概率。因此,研究大气湍流对上述三种量子信息技术的影响时,核心问题就在于研究大气湍流是如何对量子光场产生影响的。本论文对空间量子信息技术自身存在的一些问题,量子光场的大气传输模型以及大气湍流对空间量子信息技术的影响产开了较为详细的研究,主要内容和结果可总结为以下四个方面:1、探究了决定量子参数估计和量子目标探测误差精度以及辨识性能的可能性因素。首先,通过平移压缩态这种具有相位依赖误差分布的单模高斯态论证了局域非纠缠量子态的相位误差分布是决定量子参数估计的误差精度因素之一。结果证明只有在合适的相位匹配条件情况下（由相敏参数决定）,量子参数估计才能突破散粒噪声极限逼近Heisenberg极限。其次,使用纠缠相干态作为发射光源,并以双模压缩真空态和相干态为目标探测性能的上限基准和下限基准,研究了其在目标探测中的整体表现及量子态纠缠度大小与目标探测性能之间的关系,结果表明在一般照明条件下,量子态纠缠度大小与量子目标探测整体性能之间并无明显的关系。2、揭示了单光子轨道角动量的无限小传输主方程的预测结果与单相位屏理论模型结果产生偏离的物理机制。无限小传输主方程预测的单光子轨道角动量的演化结果与单相位屏理论模型结果之间存在一个所谓“偏离尺度”的物理概念,首先从经典光场的分布式大气传输模型验证了在考虑径向模式大气扰动的情况下,无限小传输主方程的最小参数集的正确性;其次通过计算接收端光场的涡旋劈裂比及平均轨道角动量值定量的解释了偏离尺度的物理含义,结果表明偏离是由于入射轨道角动量光束强度调制导致的涡旋劈裂和涡旋-反涡旋对再生的空间积累效应引起的。3、分析了轨道角动量编码方案在自由空间高维量子密钥分发中的整体表现以及自适应光学校正对其性能的提升情况。首先,提出了一种修正的无限长相位屏模拟湍流变化的方法,并根据此方法及单光子轨道角动量大气串扰模型研究大气湍流对轨道角动量量子密钥分发的影响。其次,考虑到传统自适应光学无法校正湍流产生的相位削线,提出了一种采用相位解包裹算法去除包裹削线的自适应光学校正方案,结果表明该方案相比传统自适应光学校正方案而言,会大幅降低和提升轨道角动量量子密钥分发的误码率和密钥率。最后,通过定量评估上述方案所带来的延时情况,证实了实时自适应光学系统在较大风速情况下仍能减轻大气湍流对轨道角动量量子密钥分发的影响。4、研究了相干态大气相位起伏的影响机理及其对量子干涉雷达的相位估计性能的影响。在忽略输入相干态的空间结构特征并假设束腰半径w0远小于大气相干长度r0的情况下,以相位扩散主方程为理论模型研究了大气湍流引起的相位起伏对相干态的影响,并以此为基础评估了相位起伏对相干态量子干涉雷达相位估计的灵敏度和分辨率的影响,并将宇称探测结果与量子参数估计的Cramer-Rao极限进行对比,验证了在弱相位起伏情况下,宇称探测是一种准最佳的探测方案。