2. 量子信息基础与光纤信道

光纤量子网络节点要完成密钥分发、纠缠分发或量子态转发，必须同时理解两件事：量子信息以什么形式存在，以及它在光纤中会怎样被改变。前者决定节点如何制备、操作和测量量子态，后者决定节点之间能否保持可用的量子关联。本节围绕量子比特、纠缠、测量与退相干四个基本概念展开，并进一步落到光纤中偏振、相位、时间三种编码方式的传输特性上。

一、量子比特：节点处理信息的最小单元

经典比特只能处于 0 或 1，而量子比特（qubit）可以处于两个基态的任意叠加态。若以计算基 \(|0\rangle\)、\(|1\rangle\) 表示，则一个量子比特的纯态可写为

|ψ⟩ = α|0⟩ + β|1⟩
|α|² + |β|² = 1

其中 α、β 为复数幅，|α|² 和 |β|² 分别表示测量得到 0 和 1 的概率。对光纤量子网络而言，量子比特通常并不直接以“0/1 电平”存在，而是编码在光子的某个自由度上：偏振方向、相位差或到达时间。节点要做的第一件事，就是选择一个物理自由度，把逻辑量子比特映射到可传输、可操控的光信号上。

例如，偏振编码常用水平偏振 \(|H\rangle\) 表示 \(|0\rangle\)，垂直偏振 \(|V\rangle\) 表示 \(|1\rangle\)；相位编码则用两条路径的相对相位 0 或 π 表示两个基态；时间编码用光子出现在早时间窗或晚时间窗表示 \(|0\rangle\) 或 \(|1\rangle\)。这三种编码在节点内部对应不同的调制器、干涉仪和探测器配置，也对应不同的信道损伤机制。

二、纠缠：节点间非局域关联的资源

纠缠是两比特或多比特之间不能写成各自独立状态乘积的关联。以两比特 Bell 态为例：

|Φ⁺⟩ = (|00⟩ + |11⟩)/√2

该态不能分解为 \(|a\rangle|b\rangle\)。它的关键特征是：单独测量任一比特，结果看起来是随机的；但两个比特的测量结果高度相关。若双方都选计算基测量，则结果总是相同。这种关联不依赖双方距离，是量子密钥分发和纠缠分发协议的核心资源。

在光纤网络中，纠缠通常由节点内的非线性过程或量子点光源产生，再通过光纤把两个光子分别送到远端节点。此时，光纤信道不是“透明管道”，而是一个会引入损耗、偏振漂移和相位噪声的物理介质。纠缠能否用于后续协议，取决于到达远端后两光子是否仍保持可验证的关联。

三、测量：把量子态转为可判读结果

量子测量不是被动读取，而是选择一组测量基并投影。若测量基与态制备基一致，称为基匹配；若不一致，则结果随机。BB84 类协议正是利用“基匹配时结果确定、基不匹配时结果随机”这一特性来检测窃听。节点实际执行时，通常需要随机选择测量基，并在经典信道中比对基选择，只保留基匹配的事件。

测量结果的可信度还受探测器影响。单光子探测器存在暗计数、死时间和探测效率。若暗计数偏高，即使没有光子到达，也可能被误判为有效计数，从而抬高量子比特误码率（QBER）。因此，节点设计时不能只看“有没有光子”，还要看“这个计数是否来自真实量子信号”。

四、退相干：量子信息在光纤中的衰减机制

退相干指量子态与环境的耦合导致相干性下降。对光纤信道，主要来源包括：

• 损耗：光子被吸收或散射，导致到达率下降。标准单模光纤在 1550 nm 窗口损耗约 0.2 dB/km，10 km 约 2 dB，50 km 约 10 dB。
• 偏振漂移：温度、应力和弯曲使双折射变化，偏振态在 Poincaré 球上缓慢漂移。
• 相位噪声：干涉仪两臂光程差随环境变化，导致相位编码的误码上升。
• 色散与时间抖动：不同波长传播速度不同，脉冲展宽，影响时间编码的窗口对齐。

退相干不是“信号变弱”这么简单，它会把可用的量子关联变成经典关联。若纠缠保真度低于某个阈值，后续协议就无法生成安全密钥。因此，节点必须通过主动补偿、基选择和后处理来对抗退相干。

五、三种编码的传输特性对比与节点设计要点

偏振编码实现简单，调制器成熟，适合短距离和实验室环境。但普通单模光纤不是保偏光纤，偏振态会随温度和应力漂移。若节点不加入偏振跟踪或主动补偿，接收端偏振分析基就会逐渐偏离，导致误码率上升。实际系统中，可在接收端用偏振控制器和分束器实时监测偏振漂移，并以低速反馈调整，使偏振消光比保持在 20 dB 以上。

相位编码对相位噪声敏感，但可通过不等臂 Mach-Zehnder 干涉仪和相位补偿实现较长距离传输。其关键参数是干涉可见度。若两臂光程差漂移超过相干长度，干涉条纹就会模糊。节点设计时通常把干涉仪放在接收端，并采用 Faraday 镜或 Sagnac 结构抑制环境扰动。示例中，若干涉可见度从 99% 降到 95%，QBER 可能从约 1% 升到约 3%，仍可继续协议；若降到 80% 以下，则通常无法生成安全密钥。

时间编码对偏振和相位不敏感，抗环境扰动能力较强，适合长距离光纤。但它要求发送端和接收端时间同步精度达到皮秒量级，且探测器死时间不能过长。若光纤色散导致脉冲展宽，早、晚时间窗可能重叠，造成误判。节点可通过色散补偿模块或选择窄线宽光源来缓解。示例中，若时间窗宽度为 100 ps，而脉冲展宽到 80 ps，仍可区分；若展宽超过 100 ps，则误码率显著上升。

六、从量子态到可用密钥：一个简化的判断链

以 BB84 偏振编码为例，节点实际运行可概括为：发送端随机选择 Z 基或 X 基制备光子；接收端随机选择测量基；双方通过经典信道公布基选择，只保留基匹配事件；再抽取部分事件估计 QBER。若 QBER 低于安全阈值，则继续纠错和隐私放大，生成最终密钥；若 QBER 过高，则丢弃本轮数据并检查偏振补偿、探测器暗计数和同步是否正常。

这一判断链说明，量子信息基础不是抽象概念，而是直接决定节点参数和协议流程的工程依据。量子比特决定编码对象，纠缠决定资源形态，测量决定结果提取方式，退相干决定系统能走多远。只有把四者与光纤信道的偏振、相位、时间传输特性放在一起考虑，节点设计才具有可实施性。