3. 量子信道与物理载体

量子信道是量子信息从发送端到接收端所经历的物理通路。与经典信道不同，量子信道不仅要传递比特，还要尽可能保持量子态赖以承载信息的自由度——偏振、相位、时间或频率。一旦这些自由度在传输中被扰动、耦合或丢失，接收端就无法恢复原始量子态。因此，理解不同物理载体的传输特性，是设计量子通信系统的基础。

一、光纤信道：稳定但受损耗与双折射制约

光纤是当前量子密钥分发（QKD）最成熟的载体。在标准单模光纤中，量子态通常编码在光子偏振或相位上。偏振编码利用水平/垂直、对角/反对角四个偏振态构成BB84协议；相位编码则借助不等臂马赫-曾德尔干涉仪，把信息写入两个时间窗口之间的相对相位。

光纤信道的主要挑战有三类。第一是损耗：单模光纤在1550 nm窗口的衰减约为0.2 dB/km，看似很小，但量子信号不能像经典光那样简单放大——未知量子态不可克隆，因此无法使用掺铒光纤放大器。传输100 km意味着约20 dB损耗，即只有约1%的光子到达接收端。第二是双折射：光纤纤芯的微小应力与几何不对称会使两个偏振分量以不同速度传播，导致偏振态随机旋转。工程上常用偏振控制器或法拉第镜进行补偿，但温度、振动引起的漂移仍需实时跟踪。第三是退相干：光纤中的非线性效应（如四波混频）和背向散射会引入噪声，尤其在波分复用场景下，经典光与量子光共纤传输时，拉曼散射会成为主要噪声源。

相位编码对光纤长度变化更敏感。干涉仪两臂长度差若因温度变化产生漂移，相位漂移会直接转化为误码。因此实际系统常采用“即插即用”结构或主动相位补偿，在发送端与接收端之间来回传递参考脉冲，实时校正相位。

二、自由空间信道：灵活但受大气与对准影响

自由空间量子通信以大气或真空为传输介质，适用于卫星—地面、地面站间等场景。其优势在于无需铺设光纤，可跨越复杂地形，且在大气窗口（如780 nm、850 nm、1550 nm）有较高透过率。但自由空间信道的不确定性远高于光纤。

大气湍流是首要问题。湍流使折射率随机起伏，导致光束漂移、扩展和强度闪烁。对于偏振编码，湍流本身对偏振影响较小，但接收端望远镜的偏振特性会随指向变化；对于相位编码，湍流引起的波前畸变会严重破坏干涉。因此自由空间QKD多采用偏振编码或时间编码，并配合自适应光学或大孔径接收来抑制闪烁。

背景光也是关键限制。白天天空背景光远强于量子信号，接收端需要窄带滤光片（带宽约0.1～1 nm）和空间滤波（如单模光纤耦合）来抑制噪声。卫星量子通信中，下行链路（卫星到地面）比上行链路更易实现，因为地面站可配备大口径望远镜和低噪声探测器，而卫星端资源受限。

三、水下信道：衰减极强且窗口有限

水下量子通信主要面向潜艇、水下传感器网络等场景。海水对光的吸收和散射极强，且随波长和深度变化。蓝绿光（约450～550 nm）在清澈海水中的衰减最小，典型衰减系数约0.02～0.05 m⁻¹，但浑浊海水可达0.5 m⁻¹以上。这意味着即使使用蓝绿光，传输距离通常也只有几十到百米量级。

水下信道的退相干主要来自散射引起的多路径效应和偏振态随机化。散射会使光子到达时间展宽，破坏时间编码；多次散射还会改变偏振态。因此水下量子通信常采用时间编码或轨道角动量编码，并需要高灵敏度单光子探测器。此外，水下环境中的生物发光和太阳光背景也是噪声来源，需在夜间或深水区操作。

四、三种载体的编码方式与对比

偏振编码实现简单，在光纤和自由空间中均可使用，但光纤双折射和海水散射会使其退化。相位编码对相位稳定性要求极高，适合光纤但难以用于自由空间和水下。时间编码（如时间戳或时间-bin）对偏振和相位不敏感，在自由空间和水下更具鲁棒性，但需要高精度时钟同步。

下表汇总三种信道在典型参数下的对比（数据为教学示例，非实测值）：

工程实现中，选择载体和编码方式需要权衡。光纤适合城域和骨干网，自由空间适合移动和跨域，水下则受限于短距离。无论哪种信道，核心目标都是最大化信噪比、最小化误码率，并通过实时监控和补偿维持量子态保真度。