4. 量子光源与单光子探测

量子通信系统的性能上限，往往在光源与探测器这两个环节就已经被决定。光源负责把信息编码到量子态上，探测器负责把极微弱的量子信号转换为可处理的电信号。二者共同决定了系统的成码率、传输距离和安全阈值。本节围绕三类典型量子光源与两类主流单光子探测器，梳理其物理原理、关键性能指标以及工程选型时的判断依据。

一、三类量子光源的物理机制与适用场景

弱相干光源（WCS）是目前工程化量子密钥分发（QKD）系统中最常用的光源。它通过对激光进行强衰减，使每个脉冲的平均光子数 μ 远小于 1，典型值取 0.1～0.5。其光子数分布服从泊松统计：

P(n) = (μ^n / n!) · e^(−μ)

μ = 0.1 时：
P(0) ≈ 90.48%   P(1) ≈ 9.05%   P(2) ≈ 0.45%   P(≥3) ≈ 0.02%

可以看到，即使 μ 仅为 0.1，仍存在约 0.45% 的双光子脉冲。这些多光子脉冲会被窃听者利用光子数分离（PNS）攻击，因此实际系统必须配合诱骗态（Decoy State）技术，通过随机切换信号态与诱骗态的强度来估计窃听行为并修正密钥率。WCS 的优点是室温工作、速率高、成本低、易于集成，适合城际与骨干 QKD 系统。

参量下转换纠缠源（SPDC）利用非线性晶体（如 BBO、PPKTP）中的自发参量下转换过程，将一束泵浦光子分裂为信号光子和闲频光子，二者在能量和动量上满足守恒关系，形成纠缠光子对。其典型特征是宽谱、高亮度、可在室温工作，但光子对发射时刻具有随机性，且存在多对同时产生的概率。工程上常用符合计数（coincidence count）来筛选有效纠缠对，并通过 Bell 不等式测试（如 CHSH 不等式）验证纠缠质量，典型 S 值需大于 2 才能证明存在纠缠。SPDC 适用于量子纠缠分发、量子隐形传态和基于纠缠的 QKD。

量子点单光子源（QD SPS）通过半导体量子点的能级跃迁实现确定性单光子发射。当量子点被激发后，电子-空穴对复合时释放单个光子。其核心优势是确定性的单光子发射，即每个激发周期最多发射一个光子，理论上可完全消除多光子脉冲。关键指标包括单光子纯度（用二阶关联函数 g²(0) 衡量，理想值趋近于 0）、不可分辨性（用 Hong-Ou-Mandel 干涉可见度衡量）和发射效率。目前量子点光源仍需低温环境（约 4～10 K），且发射效率与收集效率是工程化的主要瓶颈，适合对单光子纯度要求极高的量子中继和量子计算接口场景。

二、单光子探测器的原理与性能指标

雪崩光电二极管（APD）工作在盖革模式（Geiger Mode），即偏置电压高于击穿电压。当单个光子被吸收产生一个电子-空穴对后，在强电场下触发雪崩倍增，形成可检测的宏观电流脉冲。APD 的典型工作波段为 1550 nm（InGaAs）或 800 nm（Si），关键指标包括：

• 探测效率（η）：InGaAs APD 在 1550 nm 处典型值为 10%～30%，Si APD 在 800 nm 处可达 60%～70%。
• 暗计数率（DCR）：无光子输入时因热激发产生的计数，典型值为 10⁻⁵～10⁻⁶ /ns，即每秒数百到数千个计数。
• 死时间：雪崩发生后需要淬灭并恢复的时间，典型值为 10～100 ns，直接限制最大计数率。
• 后脉冲概率：雪崩后载流子陷阱释放导致的虚假计数，典型值为 1%～5%。

APD 的优点是室温工作、体积小、驱动电路简单，适合中短距离 QKD 和便携式系统。但其探测效率与暗计数之间存在权衡：提高偏置电压可提升效率，但暗计数和后脉冲也会同步上升。

超导纳米线单光子探测器（SNSPD）利用超导纳米线在接近临界电流时的光子诱导热点效应。当光子被纳米线吸收后，局部形成热点，破坏超导态，产生电压脉冲。SNSPD 的核心优势是：

• 探测效率：在 1550 nm 处可达 90% 以上，系统效率（含耦合）典型值为 70%～85%。
• 暗计数率：极低，典型值为 < 10 counts/s，甚至可低至 10⁻³ counts/s。
• 时间抖动：可低至 10～20 ps，远优于 APD 的 100～500 ps。
• 死时间：约 1～10 ns，最大计数率可达 100 MHz 以上。

SNSPD 的代价是需要液氦或闭循环制冷机维持 1～4 K 的低温环境，系统体积大、成本高、功耗大。工程选型时，若系统对探测效率、暗计数和时间抖动有严苛要求，且具备低温条件，SNSPD 是首选；若追求室温、低成本、可便携，APD 仍是主流选择。

三、工程选型的关键判断依据

在实际系统设计中，光源与探测器并非独立选择，而是需要联合优化。以下给出一个可参考的选型判断流程：

无论选择哪种方案，都需要在系统层面统一考虑：光源的重复频率与探测器的死时间是否匹配、探测效率与暗计数是否满足安全密钥率要求、时间同步精度是否足以支撑符合计数或时间标签。这些参数之间的耦合关系，往往比单一器件的指标更能决定系统最终能否稳定运行。