1. 自由空间量子通信系统工程导论

自由空间量子通信（Free-Space Quantum Communication, FSQC）利用大气或真空信道传输单光子或纠缠光子，实现密钥分发、纠缠分发与量子态传输。与光纤量子通信相比，它无需铺设光纤，可跨越江河、山地、海岛等复杂地形，也能通过卫星实现洲际乃至全球范围的量子密钥分发。但自由空间信道并非"理想真空"：大气湍流、散射、吸收、背景光以及平台振动都会影响光子到达率与量子态保真度。因此，FSQC 从来不是单一器件的性能问题，而是一个典型的系统工程问题——必须从系统级视角统筹光源、编码、光学终端、跟瞄、探测、后处理与密钥管理各环节。

课程定位与系统级视角

本课程面向"能设计、能集成、能验证"的工程目标，而非仅停留在量子力学原理层面。系统级视角要求我们始终关注三个问题：信号链路上每一级引入什么损耗与噪声、各子系统指标如何相互制约、整机指标如何分解到部件。例如，若要实现 100 km 星地链路、密钥率不低于 1 kbps，就需要把总损耗预算分解为几何损耗、大气透过率、光学系统效率、探测器效率与后处理开销，再逐项分配指标。

一个典型的自由空间量子通信系统可抽象为如下信号链：量子光源产生单光子或纠缠对，经编码模块加载偏振/相位/时间-bin 信息，由发射望远镜准直扩束后进入自由空间信道；接收端望远镜收集光子，经窄带滤波抑制背景光，送入单光子探测器完成探测，最后由时间标记与后处理模块完成基矢比对、纠错与隐私放大，输出最终密钥。下图给出该信号链与关键工程参数的关系。

工程边界：哪些能做、哪些不能做

明确工程边界是系统设计的前提。自由空间量子通信的边界主要由物理规律与器件水平共同决定：

• 距离边界：受几何扩散与大气损耗限制，地面视距链路通常为数十至上百公里；星地链路可达千公里量级，但需解决跟瞄与背景光问题。
• 速率边界：单光子探测器的死时间、后处理开销与信道损耗共同决定密钥率，典型星地链路密钥率在 1 bps～100 kbps 量级。
• 环境边界：强湍流、雨雾、强背景光会显著降低性能，需通过自适应光学、窄带滤波与时间滤波抑制。
• 安全边界：实际系统存在探测器侧信道、光源多光子等非理想因素，需通过诱骗态、测量设备无关等协议弥补。

典型应用场景

FSQC 的典型场景包括：星地量子密钥分发（如"墨子号"实现千公里级密钥分发）、地面自由空间链路（城市楼宇间、海岛间）、移动平台量子通信（飞机、舰船、无人机）以及量子纠缠分发与贝尔不等式检验。不同场景对跟瞄精度、终端重量、功耗与密钥率的要求差异很大，系统设计必须从场景需求反推指标。

全生命周期研发流程

FSQC 系统工程遵循"需求—指标分解—方案设计—集成—测试—迭代"的全生命周期。以星地链路为例：首先明确任务目标（距离、密钥率、误码率上限），然后进行链路预算与指标分解，确定光源重复频率、望远镜口径、探测器效率等关键参数；接着完成光学、电子学、软件与结构的分系统设计；再通过桌面实验与地面外场测试验证；最后进行在轨集成与在轨测试。每个阶段都需要可量化的验证判据，例如误码率 QBER 需低于 11% 才能保证安全密钥提取。

关键参数与判断依据

系统性能的核心判据包括：密钥率 R、量子误码率 QBER、链路损耗与跟瞄精度。其中 QBER 是安全性的直接指标，通常要求低于 11%；若 QBER 过高，需检查背景光、探测器暗计数或编码对准问题。密钥率则与重复频率、探测效率、信道透过率及后处理效率相关，可用简化模型估算：R ≈ f · μ · η_total · Q · (1 − H₂(e))，其中 f 为重复频率，μ 为平均光子数，η_total 为总效率，Q 为探测成功率，e 为误码率，H₂ 为二元熵函数。