1. 量子通信系统导论

量子通信是利用量子力学基本原理来承载、传输或保护信息的一类通信方式。它与经典通信最根本的区别在于：经典通信把信息编码在可被任意复制、放大和测量的经典物理量上（电压、光强、相位），而量子通信把信息编码在量子态上，并借助量子力学定律——不可克隆定理、测量塌缩、纠缠非定域性——获得经典手段无法实现的安全性或功能。理解这一点，是理解整个课程后续所有工程细节的起点。

一、量子通信的三大分支

按功能划分，量子通信通常分为三类，它们的目标、物理资源和工程形态差异很大，不能混为一谈。

量子密钥分发（QKD）是目前唯一大规模工程化的分支。它不传输用户数据本身，而是让通信双方（习惯称 Alice 与 Bob）通过量子信道协商出一串只有双方知道的对称密钥，再用经典信道做基比对、纠错和保密放大。其安全性来自物理原理：窃听者 Eve 若截获并测量量子态，必然引入误码，从而被检测到。典型协议有 BB84（单光子偏振/相位编码）和 E91（基于纠缠）。工程上对应的是光纤 QKD 设备、自由空间 QKD 终端和星地 QKD 链路。

量子隐形传态（Quantum Teleportation）解决的是"把一个未知量子态从 A 送到 B"的问题。它不搬运粒子本身，而是借助一对预先共享的纠缠粒子加两比特经典信息，把量子态"重构"到远端。注意：它不能超光速，因为经典信道不可省。它更多是量子中继、量子网络和分布式量子计算的基础构件，而非独立通信业务。

量子直接通信（QSDC）则试图直接在量子信道上传输机密消息，而不是先产生密钥再加密。它利用量子态分块传输与安全性检测，使窃听者无法在不被发现的情况下获取完整信息。相比 QKD，QSDC 对量子存储和信道效率要求更高，目前仍处于研究与早期验证阶段。

二、与经典通信的本质差异

第一，不可克隆。经典信号可以被分路、复制、放大而不改变内容；未知量子态无法被完美复制，这既带来了安全性，也带来了工程难题——信号不能像经典光通信那样简单放大中继。

第二，测量即扰动。对量子态的测量会改变它，因此"监听"必然留下痕迹。这是 QKD 可检测窃听的物理基础，但也意味着接收端不能随意分光监测。

第三，信道损耗决定距离。光纤中单光子信号随距离指数衰减，典型 1550 nm 光纤损耗约 0.2 dB/km，100 km 就衰减约 20 dB。经典通信可用掺铒光纤放大器补偿，量子信号却不能直接放大，只能靠量子中继或可信中继扩展距离。

第四，误码率是安全判据。经典通信追求低误码；QKD 中误码率（QBER）不仅是质量指标，更是安全指标。以 BB84 为例，当 QBER 超过约 11% 时，窃听者可能掌握的信息已超过合法双方，必须放弃该轮密钥。

三、系统级组成

一个可运行的 QKD 系统，远不止"发单光子、收单光子"这么简单。它通常由以下部分组成：

• 量子信道：光纤或自由空间，承载量子态（弱相干光脉冲、纠缠光子对）。
• 经典信道：与量子信道并行，用于基比对、纠错、保密放大和身份认证，必须经过认证以防中间人攻击。
• 发送端（Alice）：光源、编码模块（偏振/相位/时间-bin）、强度调制、随机数发生器。
• 接收端（Bob）：单光子探测器（SPD，常用 InGaAs 或超导纳米线 SNSPD）、基选择、时间标记。
• 后处理单元：筛选、纠错（如 Cascade、LDPC）、保密放大、密钥管理。
• 同步与时钟：量子信号极弱，必须精确门控探测器，否则暗计数会淹没信号。

下面用一张系统组成与信号流图，把上述模块及其连接关系、经典/量子两条路径的配合方式直观呈现出来。

四、工程实现挑战

把上述原理做成稳定设备，难点集中在几处。其一是光源与探测：理想单光子源难以工程化，实际多用弱相干光加诱骗态方案；探测器暗计数、死时间和探测效率直接决定成码率。其二是同步：量子信号到达时间抖动需控制在百皮秒量级，否则门控失效。其三是后处理速度：纠错与保密放大是计算密集型环节，成码率越高，对实时算力要求越高。其四是侧信道：探测器致盲、光源缺陷等攻击不违反量子力学，却可能绕过理论安全性，因此需要器件无关或测量器件无关（MDI-QKD）等增强方案。

以一个教学示例说明成码率量级：假设系统重复频率 100 MHz，单边探测器效率 10%，信道总损耗 20 dB，筛选后保留约 50% 的基匹配事件，再扣除纠错与保密放大开销，最终安全成码率可能落在 kbps 量级。这些数值仅为示例假设，用于建立量级直觉，实际系统需以标定结果为准。