1. 课程导入

量子通信并不是把经典比特“加密后塞进光纤”这么简单。以最典型的 BB84 协议为例，信息的载体是单个光子：发送端（通常称 Alice）把随机比特编码到光子的偏振、相位或时间-bin 等自由度上，接收端（Bob）用随机选择的基进行测量，再通过经典信道做基比对、误码估计和纠错/隐私放大，最终得到双方共享的安全密钥。整条链路里，真正决定系统能否工作的，是“单光子级”的发送、传输与探测——这也是本课程要建立的核心能力。

一、学习目标：从“知道原理”到“能搭出链路”

本课程的目标不是复述量子力学公式，而是让学习者能够独立描述、搭建并判断一套单光子发送与接收系统。具体包括四个层次：

• 概念层：能区分量子比特与经典比特、单光子态与弱相干态、偏振编码与相位编码，理解“不可克隆定理”和“测量塌缩”为什么能支撑密钥分发。
• 器件层：能说出激光器、衰减器、偏振控制器、相位调制器、单光子探测器（SPD）、时间数字转换器（TDC）在链路中的位置与作用。
• 系统层：能画出从光源到探测器的信号链，标出平均光子数 μ、探测效率 η、暗计数率 DCR、时间抖动等关键参数，并说明它们如何影响误码率（QBER）和成码率。
• 实践层：能根据给定的光纤长度和探测器指标，估算到达探测器的光子数，判断链路是否处于“单光子可分辨”的工作区间，并给出初步的参数调整方向。

二、核心概念：三个必须钉牢的“锚点”

第一，单光子的“单”是统计意义上的。理想单光子源每次只发射一个光子，但工程中常用高度衰减的激光脉冲来近似，即弱相干态。若平均光子数为 μ，则脉冲中含 0 个光子的概率为 e^-μ，含 1 个光子的概率为 μe^-μ，含 2 个及以上光子的概率约为 μ²e^-μ/2。当 μ=0.1 时，多光子概率约 0.45%，这就是“近似单光子”的量化依据。

第二，编码基决定安全性。BB84 使用两组共轭基：直角基（0°/90°）和对角基（45°/135°）。Alice 随机选基和比特，Bob 也随机选基测量；只有基相同的时刻，测量结果才与 Alice 的比特相关。Eve 若截获并重发，必然引入约 25% 的误码率，这是窃听可被发现的物理基础。

第三，探测是“概率事件”。单光子探测器不是“来一个测一个”的理想计数器，它有探测效率 η、暗计数 DCR 和死时间。到达探测器的平均光子数 n̄ 与探测概率 P 的关系为 P ≈ 1 - e^-ηn̄。当 n̄ 很小时，P ≈ ηn̄，链路预算就变成简单的乘法关系。

三、整体框架：一条信号链，四个功能块

把系统拆开看，它是一条从电到光、再从光到电的信号链。发送端完成“比特→量子态”的映射，信道完成“量子态传输”，接收端完成“量子态→电脉冲”的转换，后处理完成“原始计数→安全密钥”的提炼。四个功能块之间不是简单串联，而是通过时钟同步、基选择信号和经典协商信道形成闭环。

图中最值得注意的不是方框本身，而是两条“流”：上面一条是量子信号流，从 Alice 的编码态经光纤到达 Bob 的探测器，途中会被衰减、漂移和潜在窃听影响；下面一条是经典协商流，它不传输量子态，但负责基比对、误码估计和密钥提炼。两条流必须时间对齐，否则筛选后的密钥长度会大幅下降。

四、典型应用场景：从城域到星地

单光子发送与接收系统最直接的应用是量子密钥分发（QKD）。在城域场景中，20～50 km 光纤链路配合 1 MHz 重复频率和 10% 效率的探测器，典型安全码率可落在 kbps 量级；在骨干链路中，需要引入可信中继或量子中继来突破距离限制。另一个重要方向是星地量子通信：自由空间信道衰减更低，但背景光、瞄准误差和大气湍流会显著改变到达探测器的光子数分布，此时 μ、门宽和滤波带宽的联合优化比单纯提高发射功率更有效。

此外，单光子探测技术还用于激光雷达（LiDAR）、深空光通信和量子随机数发生器。这些场景的共同点是：信号极弱、噪声极低、时间精度要求极高。掌握了本课程的单光子发送与接收链路，就具备了对这类系统进行建模、调试和性能判断的基础能力。

接下来的章节会沿着这条信号链逐段展开：先讲单光子源与编码，再讲信道传输与偏振/相位控制，然后讲探测器与时间标记，最后讲后处理与安全参数估计。每一段都会给出可计算的参数关系和可观察的实验现象，帮助你把“量子通信”从概念变成可操作的系统。