با ظهور کامپیوترهای کوانتومی و چالش های امنیتی ناشی از آن ها، توسعه ی روش های جدید و کارآمد در زمینه رمزنگاری ضروری است. در این راستا، رمزنگاری با استفاده از توزیع کلید کوانتومی به عنوان راهکاری نوین و مؤثر در حفظ امنیت اطلاعات معرفی شده است. پژوهش حاضر، به شناسایی عمیق سیستم های توزیع کلید کوانتومی موجود و ارائه ی راهکارهای مناسب در طراحی و پیاده سازی این سیستم ها پرداخته است.

یکی از دستاوردهای کلیدی این پژوهش، معرفی پردازنده های کوانتومی سازگار با مد است که قابلیت تنظیم به محیط های ارتباطی مختلف را دارند. این پردازنده ها به افزایش تعامل پذیری بین عملگرهای مختلف در یک پردازنده ی کوانتومی و همچنین گره های کوانتومی در شبکه کمک می کنند. با استفاده از این پردازنده ها، امکان دستیابی به طراحی و پیاده سازی عملگر کوانتومی در مد سیگنال مناسب فراهم می شود که ضمن سازگاری با سایر عملگرهای پردازنده/شبکه، به حداکثر رساندن هماندهی و احتمال موفقیت ساختار کمک می کند.

در ادامه، این رساله به تحلیل مقایسه ای ساختارهای نگاشت مد تمام کوانتومی می پردازد که به طور معمول در ارتباطات کوانتومی استفاده می شوند. به طور خاص، ساختارهای بررسی شده شامل نگاشت های مد مسیر به زمان و بالعکس، قطبش به مسیر و بالعکس، و قطبش به زمان و بالعکس می باشد که برای هر یک، هماندهی و احتمال موفقیت به طور نظری محاسبه شده است.

سپس، به بررسی عمیق سیستم های توزیع کلید کوانتومی و چالش های طراحی و پیاده سازی آن ها پرداخته می شود و لایه های مختلف نمایش اطلاعات و سیگنال های کوانتومی یک طرح توزیع کلید کوانتومی به طور دقیق توصیف می شود. جزئیات هر نمایش به تفصیل مورد بحث قرار گرفته و ویژگی های اساسی سیستم های توزیع کلید کوانتومی سازگار با شبکه، از جمله پشتیبانی از پروتکل های مختلف، با ابعاد متفاوت و انعطاف پذیری در کار کردن با نرخ های ساعت متنوع بیان شده است. علاوه بر آن، دو مدل جامع و ساده شده برای توصیف سیگنال ها و سیستم های توزیع کلید کوانتومی نوع آماده سازی و اندازه گیری ارائه شده است و عملکرد دو ساختار شناخته شده با استفاده از مدل ساده شده بررسی شده است.

در نهایت، به معرفی طرحی برای توزیع کلید کوانتومی سازگار با شبکه پرداخته که به طور خاص، برای پاسخگویی به نیازهای متنوع در زمینه ی پروتکل های کوانتومی، سازگاری با مدهای مختلف فوتونیکی و امکان تغییر نرخ ساعت طراحی شده است. این طرح، قابلیت اجرای همزمان چندین پروتکل را برای کیودیت های با ابعاد متفاوت در هر دو سمت فرستنده و گیرنده دارد. شبیه سازی های انجام شده نشان دهنده ی توانایی بالای این مدل در پیاده سازی گیت های کوانتومی با دقت بالا است. به طور خاص، با استفاده از ساختار تغییر دهنده ی فاز زمان-فرکانس، با به کارگیری سه المان تغییر فاز که به ترتیب در حوزه های فرکانس، زمان و فرکانس پیاده سازی شده اند، موفق به پیاده سازی گیت های هادامارد و پائولی-$X$ دو بعدی با هماندهی $1$ و احتمال موفقیت $1$ شده ایم. در صورتی که به دلیل سادگی پیاده سازی، تنها از طرح های فاز سینوسی برای پیاده سازی گیت استفاده شود، با حفظ هماندهی $1$، احتمال موفقیت به $0.9760$ کاهش می یابد. هم چنین، بدون تغییر تعداد المان های مورد نیاز، می توان با همان ساختار و تنها تغییر فازهای اعمالی، گیت تبدیل فوریه ی سه بعدی را با هماندهی $1$ و احتمال موفقیت $0.9719$ پیاده سازی نمود.

با توجه به پیشرفت های صورت گرفته در حوزه فناوری های کوانتومی و ارتباطات، این پژوهش به عنوان یک مرجع جامع برای درک بهتر سیستم های توزیع کلید کوانتومی و پروتکل های مربوطه عمل می کند. این مدل ها و تحلیل ها می توانند به عنوان مبنایی برای پژوهش های آینده در این زمینه مورد استفاده قرار گیرند و به توسعه سیستم های توزیع کلید کوانتومی با کارایی و امنیت بالاتر کمک کنند.