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Bennett等人在1984年提出了量子密钥分发(QKD，Quantum Key Distribution)理论，QKD以量子物理与信息学为基础，可以为两个不同用户提供无条件安全的共享密钥，QKD是目前为止唯一被严格证明可提供无条件安全的保密通信手段。Bennett等人随后于1989年完成了世界上第一个QKD演示系统。在此之后，QKD的理论在世界范围内得到了广泛的研究，有关QKD的实验系统更为复杂和完善，都是为了不断提高密钥分发的速率和距离。2003年基于诱骗态的量子密钥分发协议的提出，解决了不完美光源带来的QKD系统安全隐患问题，促进了QKD系统从实验室研究逐步走向工程化:QKD的通信距离和密钥生成速率不断的提高。
当前QKD系统量子信道主要分为光纤量子通信和自由空间量子通信两种。由于光纤自身的双折射效应，单光子在光纤中传输衰减比较严重，传输距离有限，目前实现的基于光纤量子通信的距离在四百公里量级，主要用于城际QKD网络的实现。单光子在自由空间传输过程中没有双折射效应，为了实现更远距离（千公里级）的通信(洲际QKD)，以卫星为平台，发展基于自由空间的星地QKD是一个可行的方案。可以通过量子卫星将地面站、地面光纤网络及其他地面终端连接在一起，从而形成初步的天地一体化的量子通信网络。为此，中国潘建伟小组于2016年发射了量子科学实验卫星，主要解决星地QKD的可行性问题。
完整的空地一体化广域量子通信网络体系的构建，将有助于国防、政务、金融等领域的信息安全，促进下一代国家信息安全生态系统的建设，面向实际应用的广域量子密钥分发的技术成为当前亟需解决的问题。高速生成最终密钥是星地QKD系统走向实用化的设计中核心目标。提高星地QKD系统发射光源的重复频率，成为提高最终成码率的首选方案。同时在实际应用中，需要处理密钥分发之后的数据信息，以生成最终密钥从而满足实际的需求。
为了更好的解决高速星地QKD系统研制过程中可能出现的问题，本论文依据量子科学实验卫星的特性针对高速星地QKD系统的特点设计并实现了一套验证系统。星地高速星地QKD的研制的难点在于单光子发射与探测速率特别高、通信双方距离远传输延迟高达毫秒量级，并且需要高速的后处理流程。为了解决这些问题，在这套验证系统中，设计和实现了高达4GHz的单光子量子态发射和探测模型的仿真;针对星地之间量子信道存在的远距离延迟、单光子的衰减等因素分别实现了对应的仿真模型;同时在这套验证系统中，开展了基于FPGA的量子密钥分发高速实时基矢比对、纠错以及高速隐私放大关键技术的研究。
本论文研究的高速星地量子密钥分发验证系统模拟了高速远距离星地量子密钥分发，针对星地之间高速密钥分发的量子信道特点建立了高速分发模型，远距离延时模型，以及星地之间的衰减模型，以及QKD系统的总误码。通过Field Program Gate Array(FPGA)的高速串行收发接口(GTH)实现高速分发模型，通过采用累进抽样算法实现单光子的衰减，通过分时读取DDR的数据实现远距离高延迟的数据处理。同时本论文通过FPGA的GTH接口实现的高速激光通信模块实现了QKD系统的经典信道。
本论文通过采用分时读取四片不同的DDR芯片，采用四级流水操作，结合高速的经典信道实现了高速基矢比对。同时在提取出筛选密钥之后，按照固定误码率随机修改Alice端生成的筛选密钥数据，从而实现误码率的模拟。本论文基于IR-QC-LDPC的校验矩阵，采用了归一化最小和算法(NMSA)的译码算法，在码率为5/6，矩阵扩展因子96，误码率1.04％的情况下，实现高达73.6Mbps的纠错速率，纠错帧成功率大于99％。本论文在FPGA中实现了基于FFT和复数乘法的IP core的Toeplitz矩阵快速隐私放大算法。
本论文搭建了高速星地QKD验证系统，通过模拟基于自由空间量子信道的量子密钥分发的过程，验证了本系统的流程控制和量子密钥后处理流程，为开展实际的高速星地量子密钥分发积累技术基础，验证了实用化星地高速量子密钥分发的可行性。
本论文设计和实现了高速星地QKD验证系统的高速数据验证通道的设计，主要的目的是将QKD过程中Alice和Bob生成的筛选密钥和最终密钥通过高速数据通道传输到上位机，然后进行分析验证。在高速数据通道的设计中实现了基于PCIe和基于TCP/IP的高速通信协议。
本论文的主要创新点如下:
(1)实现了对高速星地QKD系统的仿真模型的设计，可以方便的模拟不同的量子信道特性，适应高达4GHz发射频率的QKD系统的仿真验证。
(2)针对不同误码率下的高速生成的密钥，在FPGA上完成了基于LDPC纠错码的快速纠错算法的研究，实现了基于IR-QC-LDPC校验矩阵的实时生成及快速解码算法，能适应于4GHz发射频率的星地高速QKD系统中。
(3)针对QKD的安全性要求，在FPGA上开展了基于Toeplitz矩阵的隐私放大算法的研究，并成功用于系统的高速后处理测试。
当前QKD系统量子信道主要分为光纤量子通信和自由空间量子通信两种。由于光纤自身的双折射效应，单光子在光纤中传输衰减比较严重，传输距离有限，目前实现的基于光纤量子通信的距离在四百公里量级，主要用于城际QKD网络的实现。单光子在自由空间传输过程中没有双折射效应，为了实现更远距离（千公里级）的通信(洲际QKD)，以卫星为平台，发展基于自由空间的星地QKD是一个可行的方案。可以通过量子卫星将地面站、地面光纤网络及其他地面终端连接在一起，从而形成初步的天地一体化的量子通信网络。为此，中国潘建伟小组于2016年发射了量子科学实验卫星，主要解决星地QKD的可行性问题。
完整的空地一体化广域量子通信网络体系的构建，将有助于国防、政务、金融等领域的信息安全，促进下一代国家信息安全生态系统的建设，面向实际应用的广域量子密钥分发的技术成为当前亟需解决的问题。高速生成最终密钥是星地QKD系统走向实用化的设计中核心目标。提高星地QKD系统发射光源的重复频率，成为提高最终成码率的首选方案。同时在实际应用中，需要处理密钥分发之后的数据信息，以生成最终密钥从而满足实际的需求。
为了更好的解决高速星地QKD系统研制过程中可能出现的问题，本论文依据量子科学实验卫星的特性针对高速星地QKD系统的特点设计并实现了一套验证系统。星地高速星地QKD的研制的难点在于单光子发射与探测速率特别高、通信双方距离远传输延迟高达毫秒量级，并且需要高速的后处理流程。为了解决这些问题，在这套验证系统中，设计和实现了高达4GHz的单光子量子态发射和探测模型的仿真;针对星地之间量子信道存在的远距离延迟、单光子的衰减等因素分别实现了对应的仿真模型;同时在这套验证系统中，开展了基于FPGA的量子密钥分发高速实时基矢比对、纠错以及高速隐私放大关键技术的研究。
本论文研究的高速星地量子密钥分发验证系统模拟了高速远距离星地量子密钥分发，针对星地之间高速密钥分发的量子信道特点建立了高速分发模型，远距离延时模型，以及星地之间的衰减模型，以及QKD系统的总误码。通过Field Program Gate Array(FPGA)的高速串行收发接口(GTH)实现高速分发模型，通过采用累进抽样算法实现单光子的衰减，通过分时读取DDR的数据实现远距离高延迟的数据处理。同时本论文通过FPGA的GTH接口实现的高速激光通信模块实现了QKD系统的经典信道。
本论文通过采用分时读取四片不同的DDR芯片，采用四级流水操作，结合高速的经典信道实现了高速基矢比对。同时在提取出筛选密钥之后，按照固定误码率随机修改Alice端生成的筛选密钥数据，从而实现误码率的模拟。本论文基于IR-QC-LDPC的校验矩阵，采用了归一化最小和算法(NMSA)的译码算法，在码率为5/6，矩阵扩展因子96，误码率1.04％的情况下，实现高达73.6Mbps的纠错速率，纠错帧成功率大于99％。本论文在FPGA中实现了基于FFT和复数乘法的IP core的Toeplitz矩阵快速隐私放大算法。
本论文搭建了高速星地QKD验证系统，通过模拟基于自由空间量子信道的量子密钥分发的过程，验证了本系统的流程控制和量子密钥后处理流程，为开展实际的高速星地量子密钥分发积累技术基础，验证了实用化星地高速量子密钥分发的可行性。
本论文设计和实现了高速星地QKD验证系统的高速数据验证通道的设计，主要的目的是将QKD过程中Alice和Bob生成的筛选密钥和最终密钥通过高速数据通道传输到上位机，然后进行分析验证。在高速数据通道的设计中实现了基于PCIe和基于TCP/IP的高速通信协议。
本论文的主要创新点如下:
(1)实现了对高速星地QKD系统的仿真模型的设计，可以方便的模拟不同的量子信道特性，适应高达4GHz发射频率的QKD系统的仿真验证。
(2)针对不同误码率下的高速生成的密钥，在FPGA上完成了基于LDPC纠错码的快速纠错算法的研究，实现了基于IR-QC-LDPC校验矩阵的实时生成及快速解码算法，能适应于4GHz发射频率的星地高速QKD系统中。
(3)针对QKD的安全性要求，在FPGA上开展了基于Toeplitz矩阵的隐私放大算法的研究，并成功用于系统的高速后处理测试。