量子信息是量子技术率先应用的领域,量子通信则是量子信息领域(还包括量子计算和量子探测)发展最迅速的方向,已初步进入实用化阶段。量子通信技术的下一阶段,一方面是在科研领域不断挑战新手段、新场景、新纪录,另一方面是在应用领域解决大规模部署、高可靠系统、密码融合等实用化问题。作者基于在量子系综、量子通信网络方面的研究,阐述了提升量子通信能力和构建量子通信网络的要素,并侧重使用数理方法,对量子通信核心器件调控、规模化网络设计中一些多维度、多环节的系统问题进行了分析和优化研究。一、核系综极化演化和高极化度实现方案研究。半导体量子点具有相干时间长、可操控性好的优点,是人工原子、单光子源、量子存储的优良载体,可用于量子通信、中继和量子计算。提高量子点的性能参数,特别是一致性、长时间相干等,需要抑制原子核系综对载流电子的退相干作用。在以往载流电子自旋-核系综演化的各种研究中,由于系统维度极大,其演化过程的研究还局限于强场或短时间的微扰论近似范畴,但是适用近似的条件一般不包含核系综极化操控的最佳参数,最佳参数应当有利于形成充分振荡。为了研究这个参数范围内的系综演化,我们结合连续波包粗粒化这一新型近似,利用群论设计了哈密顿量矩阵块对角化的方法,实现了复杂系综超大维度哈密顿量的极大简化,从而可利用数值计算精确求解哈密顿量并实现系综极化演化的计算。通过定量及定性的分析,我们证实了最佳操控参数的区间,并由此推算出量子点核系综超高极化度(更纯净的自旋背景)的实现途径。二、量子通信组网和呼损模型研究。量子通信由点对点链路拓展到多用户网络时,组网结构和交换策略是决定网络能力的关键,也是大规模网络规划的依据。我们结合量子通信当前的交换技术,根据应用需求设计了多种交换结构和交换策略,并根据随机呼叫模型计算了用户接入能力。其中利用概率统计得出密钥需求的方法,显示了比传统数值模拟仿真更加高效和原理清晰的优势。该研究的结果已应用于几个较大规模、具有一定拓扑复杂度的量子通信网络,展现了良好的网络整体性能。三、量子通信网络系统功能设计与故障、安全模型研究。完整功能的量子通信网络除了底层的量子密钥分发,还涉及到中继器、加密终端、路由系统、管控系统及相关策略,以及可靠性、安全性、可拓展性等设计环节。我们参考了经典网络分层设计、系统安全技术和信息应用发展趋势,从方法论角度分析了底层故障发生和关联模型,阐述了基于该模型分析系统可靠性和安全性的方法,设计了量子通信网络的分层结构和中上层功能框架,并实践了强化管控和安全配置的设计。其中基于概率统计得出的各种关联故障机制,能够用于整合现有的单项故障研究,从而给出系统可靠性、安全性的定量综合评估,为规模化应用、高可靠系统设计等提供评价和决策方法。该研究已应用于一些重要活动的通信安全保障。