密码技术是保障信息安全的重要手段,但是现有的密码技术通常是计算安全的。目前唯一被证明是无条件安全的密码算法是一次一密(One Time Pad,OTP),但是在实际应用中OTP存在密钥分发难的问题。量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)利用量子力学原理成功解决了密钥分发难的问题,使OTP算法有了实际的用武之地。QKD由量子部分与经典后处理部分组成。量子部分以量子态为载体在通信双方之间分发部分安全、部分相关的原始码,经典后处理对这些原始码在认证的经典信道上进行筛选、误码协商、私密放大处理,最终得到无条件安全的密钥。QKD技术的目的是为通信参与者提供无条件安全的密钥分发,因此提高净安全密钥分发速率是其首要任务。作为QKD的关键组成部分,QKD后处理理所当然要服务于这一首要任务。QKD系统由于通信距离、协议设计等因素的不同,输入到经典后处理的原始码的特点也不尽相同。因此在给定原始码序列时,如何通过优化QKD后处理各模块以使净安全密钥分发速率最大化是一个亟需解决的问题。本文的主要研究内容和创新性如下:(1)以净安全码率最大化为目标,通过逐模块地分析后处理对原始码数据的处理过程及其对净安全码率的影响,建立了QKD后处理性能优化模型。基于该模型,我们为后处理各模块分别提出了评价指标。在提出的评价指标下,我们对目前的研究热点——误码协商算法进行了性能评估。此外,在该性能优化模型的指导下,我们对后续的三个研究内容进行了研究。(2)针对高重复频率QKD系统的筛选模块面临处理数据量大、认证密钥消耗量高的问题,提出了一种基于MZRLFL编码的高压缩比的筛选算法。提出的算法从分析筛选模块通信数据的特点出发,充分考虑了筛选模块在处理速率与存储方面的压力,具有接近香农限的压缩性能。MZRLFL编码首先利用修改的游程长度编码将二元信源转换为n元信源,再利用可高速编解码的定长编码对n元信源的消息进行编码。为了弥补定长编码压缩性能的不足,我们通过寻找最优参数使其压缩性能达到最佳。理论分析与实验结果表明,提出的算法具有接近香农限的性能。为了验证压缩性能对认证密钥消耗的影响,将提出的算法应用于实际QKD系统。分析表明,当通信距离为1km与25km时,后处理认证密钥消耗量分别减少了26%与15%以上。(3)针对高筛选码速率的QKD系统需要高速的误码协商算法,研究了基于极化码的误码协商算法。我们分析了极化码在QKD中应用模式的安全性及性能,分析表明,极化码最优的两种应用模式的延迟只与译码操作有关。因此我们接着对SC译码算法进行了三方面的优化以提高译码速率,其中前两个优化主要适于面向硬件实现的SC译码算法,第三个优化主要适于面向软件实现的SC译码算法。为了给优化提供理论支撑,我们分析了SC译码算法中似然比计算的依赖关系。提出的三方面优化为:(i)针对现有的SC译码调度算法仍很原始这一问题,提出了一种高效的SC译码调度算法,与现有算法相比,该算法具有关键路径延迟与空间复杂度均为常数等优点,能够降低硬件实现的存储资源消耗,并提高硬件实现的时钟频率,从而提高译码速率;(ii)针对SC译码算法译码延迟高的问题,基于预先计算的思想提出了一种低延迟的SC译码算法,并详细分析了其代价,理论分析表明该算法可以以很低代价大大降低译码延迟;(iii)针对面向软件实现的SC译码算法均使用递归的方式这一问题,提出了一种非递归的SC译码算法,实验结果表明非递归的SC译码算法的译码速度是递归的SC译码算法的2.2倍至3.3倍。(4)针对低筛选码速率的QKD系统需要高协商效率的误码协商算法,提出了一种高协商效率的误码协商算法。鉴于在已有的误码协商算法中,Cascade类算法在协商效率方面通常具有最好的性能。秉着尽可能利用已有信息推断分组的奇偶性,避免无谓的信息泄露的思想,我们从两方面优化了Cascade类算法。首先,我们证明了Cascade类算法利用回溯纠错技术对每个分组进行纠错时总是纠正偶数个错误,利用该性质我们可以推断第i轮(i大于等于2)的最后一个分组的奇偶校验码总是相同,无需进行交互比对。其次,我们发现,在Cascade类算法回溯纠错时,对于长度为2的分组可以不执行BINARY过程而直接完成纠错。这两方面的优化减少了Cascade类算法纠错过程中的信息泄露量,提高了协商效率。