3. 量子光源与编码工程

量子光源是自由空间量子通信链路的“发射端心脏”，它决定了系统能承载多高的密钥率、能抵抗多强的窃听与信道扰动，也直接约束了后端探测与后处理的复杂度。工程上并不存在“万能光源”，真正要做的是把光源类型、编码维度、诱骗态机制与自由空间信道特性放在同一张设计表里权衡。本节从物理机制出发，落到可执行的选型与参数设定。

一、单光子源与弱相干光源：理想与现实的取舍

理想单光子源（SPS）每次脉冲严格输出一个光子，其光子数分布为 P(1)=1，P(n≥2)=0。这种光源天然免疫光子数分离（PNS）攻击，因为窃听者无法从多光子脉冲中“分走”一个光子而不被发现。工程实现路径包括量子点、金刚石色心、参量下转换预报式单光子等。但自由空间场景下，SPS 面临三大工程瓶颈：一是发射效率与收集效率难以同时做高，典型量子点源端到端效率常在 10%～40% 量级；二是需要严格的触发与同步，星地链路的多普勒与时间抖动会恶化时间同步；三是多数方案需低温或复杂泵浦，功耗与体积不利于星载。

弱相干光源（WCS）用高度衰减的激光脉冲近似单光子，其光子数服从泊松分布：P(n)=e^(-μ)·μ^n/n!。当平均光子数 μ=0.1 时，P(0)≈90.5%，P(1)≈9.05%，P(2)≈0.45%。可见空脉冲占绝大多数，多光子脉冲虽小但非零，这正是 PNS 攻击的入口。WCS 的优势是成熟、稳定、高速、易于集成，因此成为当前自由空间 QKD 的主流选择，但必须配合诱骗态方法压制多光子风险。

二、诱骗态制备：把多光子漏洞“测”出来

诱骗态的核心思想是：信号态与诱骗态使用不同的平均光子数（如信号 μ=0.5、诱骗 ν=0.1、真空 ω=0），但它们在探测端不可区分。窃听者若对不同光子数脉冲区别对待，就会改变不同强度脉冲的透过率统计，从而被合法双方通过增益与误码率对比发现。工程上需要精确标定每种强度的脉冲能量，并保证强度切换的随机性与同步性。

一个可参考的诱骗态参数配置示例如下（示例参数，非实测）：

信号态强度 μ = 0.50，发送概率 p_μ = 0.70
诱骗态强度 ν = 0.10，发送概率 p_ν = 0.25
真空态强度 ω = 0.00，发送概率 p_ω = 0.05
强度调制误差 < 3%
随机数驱动频率 = 100 MHz

判断诱骗态是否生效，关键看不同强度下的增益比与误码率是否与理论预期一致。若诱骗态误码率显著高于信号态，或增益比偏离泊松模型预测，说明强度标定或随机切换存在问题，需要先排查光源驱动与调制器。

三、偏振、相位与时间编码方案

偏振编码在自由空间中最直观：用水平/垂直（H/V）或对角（D/A）基表示比特。其优点是接收端只需波片与偏振分束器，结构简单；缺点是大气湍流与卫星姿态变化会引起偏振旋转，需要实时偏振补偿。工程上常采用“偏振反馈+主动波片”方案，补偿频率可达 kHz 量级。

相位编码把比特编码在两条路径的相位差上，通常配合不等臂干涉仪。它对偏振扰动不敏感，但要求干涉仪臂长差稳定到亚波长量级，自由空间中的温度与振动会带来相位漂移，需要主动锁相。相位编码的干涉可见度是核心指标，工程上一般要求可见度大于 90% 才能保证低误码。

时间编码（含时间-bin）把比特编码在光子到达的时间位置上，对偏振和相位都不敏感，特别适合自由空间长链路。其代价是需要高精度时间同步与低抖动探测器，时间抖动通常要求小于 100 ps。时间编码与诱骗态结合时，需注意不同强度脉冲的时间位置随机化，避免窃听者利用时间关联。

四、工程选型准则：从指标反推方案

选型不是“哪个先进选哪个”，而是从链路预算与安全需求反推。第一步看链路损耗：自由空间链路损耗随距离平方增长，星地链路典型损耗在 20～40 dB。若损耗超过 30 dB，单光子源的低效率会进一步压缩成码率，此时 WCS 配合诱骗态往往更现实。第二步看信道扰动：大气湍流强、卫星姿态变化大的场景，偏振编码需要高频补偿，工程复杂度高；时间编码对这类扰动天然免疫，是更稳妥的选择。第三步看安全等级：若要求抵御 PNS 且不依赖诱骗态假设，则需 SPS；若接受诱骗态框架，WCS 是成熟方案。

一个实用的判断顺序是：先确定编码维度（偏振/相位/时间），再确定光源类型（SPS/WCS），最后确定诱骗态参数（强度与概率）。例如，星地高速链路、湍流中等、要求成码率优先，可优先选时间编码+WCS+三强度诱骗态；若链路较短、安全等级极高、可接受低成码率，则可考虑偏振编码+SPS。

需要强调的是，上述参数均为教学示例，实际系统必须根据器件手册、链路实测损耗与安全证明重新标定。光源与编码的工程选型，本质是在安全性、成码率、复杂度与星载约束之间找到可验证的平衡点。