4. 真空涨落源与光路设计
真空涨落量子随机数系统的熵源质量，几乎完全由光路决定。探测器上看到的“随机”并非凭空产生，而是真空态在正交分量上的量子涨落被本振光放大、再经平衡探测差分后落到电信号上的结果。因此本章的核心任务，是把“压缩真空源—相干本振—分束器—干涉仪—平衡探测”这条光链路设计清楚，并让它在温度漂移、振动和插损变化下仍保持稳定。
一、压缩真空源：把熵集中到待测正交分量
普通真空态在两个正交分量（振幅正交 X 与相位正交 P）上的涨落是对称的，方差均为 1/4（以 ħ=1 为单位）。若直接测量，随机性虽然真实，但幅度小、易被电子噪声淹没。压缩真空源的作用，是通过光学参量放大（OPA）把某一个正交分量的方差压到散粒噪声极限以下，同时把共轭分量放大。我们通常让被压缩的分量对准后续要测量的正交方向，这样探测器读到的量子涨落信噪比更高。
典型实现是周期性极化铌酸锂（PPLN）波导中的简并参量下转换：一束 1550 nm 泵浦光注入，产生同频的压缩真空。压缩度用 dB 表示，例如 6 dB 压缩意味着该正交分量方差降为真空的 1/4。需要注意，压缩是“有方向”的：压缩椭圆的长轴与短轴分别对应放大与压缩的正交分量，若本振相位漂移，测量投影就会偏离压缩轴，压缩度迅速退化。因此压缩源必须与一个稳定的相位参考（通常就是本振光）锁定。
二、相干光源本振：相位与幅度的基准
本振（LO）是一束强相干光，来自窄线宽激光器（如 1550 nm 外腔半导体激光，线宽 < 10 kHz）。它承担两个角色：一是作为平衡探测的相位参考，把真空涨落“搬移”到可测的差频信号上；二是提供足够的本地光功率，使探测进入散粒噪声主导区。本振功率并非越大越好：功率升高会提升散粒噪声基底，同时也会放大经典强度噪声和探测器饱和风险。工程上常取本振功率在 1～10 mW 量级，使散粒噪声高于电子噪声 10 dB 以上。
本振与压缩源之间的相对相位 φ 决定了测量投影方向。若压缩轴与本振相位对齐，测得压缩；若偏转 90°，则测得反压缩（放大）。因此光路中必须包含相位调制器（如压电陶瓷驱动的反射镜或光纤相位调制器）和锁相环路，把 φ 稳定在设定值，典型相位抖动需控制在几毫弧度以内。
三、分束器与干涉仪配置
压缩真空与本振的合束通常采用 50:50 分束器（BS）。理想情况下，两路输出分别进入平衡探测的两个光电二极管，差分电流正比于本振幅度与真空正交分量的乘积。分束器的不平衡会引入经典共模抑制比下降，因此实际选用分束比偏差 < 1%、偏振相关损耗 < 0.2 dB 的器件。
若采用光纤结构，可用 2×2 熔融拉锥耦合器；若采用自由空间结构，则用镀膜分束镜。干涉仪配置上，常见的是马赫-曾德尔（MZ）结构：压缩源经一路臂，本振经另一路臂，在第二个 50:50 耦合器处干涉。两臂光程差必须控制在相干长度以内，且需通过温控或压电调节保持相位稳定。对于集成化方案，也可把分束器、相位调制器和探测器集成在同一硅光芯片上，减少机械漂移。
四、光路稳定性与损耗控制
光路稳定性直接决定随机数生成器的长期可用性。主要扰动有三类：温度漂移、机械振动和偏振漂移。温度变化会使光纤长度和折射率改变，导致干涉相位漂移；振动引入快速相位抖动；偏振漂移则改变分束器两路的相对幅度，破坏共模抑制。
工程上通常采取以下措施：
- 温控与隔振：将干涉仪和分束器置于恒温箱（±0.1 ℃）和隔振平台上，光纤盘绕在低热膨胀系数的基底上。
- 主动相位锁定：用弱导频信号或抖动法检测相位误差，反馈到 PZT 或相位调制器，把 φ 锁定在压缩轴方向，锁定带宽通常 1～10 kHz。
- 偏振控制：在光纤链路中加入偏振控制器和偏振分束器，使到达分束器的两路偏振态一致，偏振消光比 > 20 dB。
- 损耗控制：每增加 1 dB 插损，相当于把压缩度“稀释”约 1 dB。因此接头尽量熔接而非法兰连接，光纤弯曲半径 > 30 mm，自由空间镜片镀增透膜，总插损控制在 1 dB 以内。
一个可参考的示例参数配置如下：压缩源输出 6 dB 压缩真空，本振功率 5 mW，分束器分束比 50.2:49.8，探测器量子效率 90%，电子噪声比散粒噪声低 12 dB。在此配置下，差分信号中量子涨落贡献约占总噪声的 85% 以上，经 ADC 采样和后续随机性提取后，可得到稳定的随机比特流。需要说明，以上为教学示例参数，实际系统需根据器件手册和实测噪声谱重新标定。
综上，真空涨落源与光路设计的本质，是把量子真空的微小涨落通过压缩、干涉和平衡探测“放大”为可采集的电信号，同时用相位锁定、温控和低损耗连接把这条链路稳定住。压缩源决定熵的“质量”，本振和分束器决定熵的“搬运效率”，而稳定性与损耗控制决定这套系统能否长时间可靠运行。