4. 单光子源与弱相干光源工程选型

BB84 协议在理论上要求“单光子”作为信息载体，但工程上真正能稳定、廉价、室温运行的单光子源非常有限。因此，绝大多数实际 QKD 系统采用弱相干光源（Weak Coherent Source, WCS）——用高度衰减的激光脉冲来近似单光子。这一近似带来了两个必须正视的后果：光子数分布服从泊松统计，以及由此产生的光子数分离（PNS）攻击风险。本节围绕“选什么光源、如何衰减、如何随机化相位、如何满足安全性要求”展开工程层面的讨论。

一、光源特性：理想单光子源与弱相干光源的差距

理想单光子源每次发射严格一个光子，其光子数分布为 P(1)=1，P(n≠1)=0。而弱相干光源的脉冲光子数服从泊松分布：

P(n) = (μ^n / n!) · e^(−μ)

μ：平均光子数（每脉冲）
n：脉冲中的光子数

当 μ=0.1 时，P(0)≈0.905，P(1)≈0.0905，P(2)≈0.0045，P(≥3)≈0.00015。可以看到，即使平均只有 0.1 个光子，仍有约 0.45% 的脉冲包含两个及以上光子。这些多光子脉冲正是 PNS 攻击的入口：窃听者 Eve 可以截获多光子脉冲，保留一个光子、把其余光子透明转发给 Bob，从而在不引入误码的情况下获取密钥信息。

工程选型时，光源的关键参数包括：中心波长（常见 850 nm、1310 nm、1550 nm，1550 nm 与光纤通信窗口匹配、损耗最低）、谱宽（影响滤波和色散）、脉冲宽度（通常百皮秒量级）、重复频率（MHz 到 GHz）、消光比（决定“0”态泄漏）、相位随机化质量。其中，相位随机化是 WCS 安全性的核心前提之一。

二、衰减控制：从激光到“准单光子”

弱相干光源的 μ 值通常通过可调光衰减器（VOA）或固定衰减器组合实现。工程上 μ 一般取 0.1～0.5，需在“密钥率”和“安全性”之间折中：μ 越大，探测计数率越高，但多光子脉冲比例也越高，PNS 风险上升；μ 越小，安全性越好，但密钥率下降。

衰减量的计算需要结合光源输出功率、脉冲重复频率和探测器效率。例如，若激光器输出平均功率为 1 μW（1550 nm），重复频率 1 MHz，则每脉冲能量 E = P/f = 1×10⁻⁶ / 1×10⁶ = 1×10⁻¹² J。1550 nm 光子能量 E_ph = hc/λ ≈ 1.28×10⁻¹⁹ J，因此每脉冲平均光子数 μ₀ = E/E_ph ≈ 7.8×10⁶。要得到 μ=0.1，需要衰减约 7.8×10⁷ 倍，即约 79 dB。实际系统中通常采用“粗衰减 + 精调 VOA”两级结构，并在每次上电或温度变化后重新标定。

三、相位随机化：为什么必须做、怎么做

BB84 使用相位编码时，若光源相位在脉冲间保持相干，Eve 可以利用相干性实施相位部分区分攻击，获取部分密钥信息而不被误码率检测发现。因此，WCS 必须保证每个脉冲的全局相位随机，使不同脉冲之间没有确定的相位关系。

工程实现方式主要有两类：一是让激光器工作在增益开关状态，利用自发辐射的随机相位；二是在光源后加相位随机化模块，如基于热光或电光调制的随机相位调制器。评价相位随机化质量的关键指标是相位随机化程度，通常用干涉可见度衡量：可见度越低，随机化越好。工程上要求可见度低于 10⁻² 量级，才能有效抑制相干攻击。

四、工程选型与安全性要求的落地

在实际系统集成中，光源选型不是孤立决策，而是与探测器、信道、协议参数联动。以下给出一个可参考的选型与配置检查表，用于工程评审或上电前核对。

需要特别强调的是，诱骗态（Decoy State）协议是弱相干光源安全性的关键补充。通过随机发送不同强度（如 μ、ν、ω）的脉冲，可以估计单光子脉冲的计数率和误码率，从而在存在多光子脉冲的情况下仍能给出严格的安全性证明。工程上，诱骗态强度通常取信号态的 1/5 和 1/20 左右，并需保证强度切换的随机性和稳定性。

最后，光源的相位随机化质量不能只在出厂时测试一次。温度变化、驱动电流波动、增益开关条件改变都可能影响随机化程度。建议在系统运行期间定期用干涉仪测量可见度，或通过监测干涉计数的不对称性间接评估。若可见度恶化到 10⁻¹ 量级，应暂停密钥生成并重新校准光源。

总结来说，弱相干光源的工程选型需要同时回答四个问题：波长和频率是否匹配信道与探测器、μ 值是否在安全且可用的区间、相位随机化是否达到安全阈值、长期运行中 μ 和相位质量是否可控。只有这四点都满足，BB84 系统才能在现实条件下获得可证明安全的密钥。