本发明提出了一种相位解码方法、装置和量子密钥分发系统。该方法包括：将入射的任意偏振态的一路输入光脉冲分束为两路光脉冲分别在两条光路上传输，以及将两路光脉冲进行相对延时后合束输出，其中对分束前的光脉冲或者在分束至合束的过程中至少对分束得到的两路光脉冲中之一按照量子密钥分发协议进行相位调制，并且控制输入光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经两条光路传输的相位差相差2π的整数倍。本发明可有效解决光脉冲偏振态随机变化对系统稳定性产生的影响，实现抗环境干扰的稳定相位解码。此外，本发明可采用不等臂马赫‑曾德尔干涉仪，光脉冲在解码时只需经过一次相位调制器，减小了接收端的插入损耗，提高了系统效率。