2. 量子网络物理层基础
量子网络的物理层，决定了“量子信息究竟以什么形式、沿什么介质、在什么约束下被搬运”。在多节点实验系统里，物理层不是抽象协议，而是由光源、编码器、信道、探测器和同步链路共同构成的真实信号通路。理解这一层，核心是回答三个问题：量子比特用什么载体承载，信息被编码到光子的哪个自由度上，以及信道如何改变这些编码。
一、量子比特的物理载体
量子比特需要两能级系统来承载。在光纤与自由空间量子网络中，最常用的载体是单光子：用光子的存在与否、偏振方向、相位差或到达时间表示 |0⟩ 与 |1⟩。单光子的优势是低噪声、易传输、可在室温下工作；代价是损耗后无法放大，因为未知量子态不可克隆。
除单光子外，还有几类常见载体：
- 弱相干光脉冲：实际系统多采用衰减激光产生，平均光子数 μ 通常取 0.1～0.5。它便于实现，但存在一定概率的多光子脉冲，会引入光子数分离攻击风险。
- 原子系综与单原子：用于量子存储和节点间纠缠交换，常与光子接口，把飞行光子与静止量子比特关联起来。
- 超导量子比特：适合微波频段的固定节点，但长距离传输需转换为光频，目前多用于局域量子处理器。
多节点实验通常采用“光子飞行 + 物质存储”的混合架构：节点内部用原子或固态自旋存储量子态，节点之间用光子传递量子信息。
二、偏振、相位与时间编码
光子有多个自由度可编码量子比特，选择哪种编码，直接决定信道适配性和探测方案。
偏振编码用水平/垂直（H/V）或 ±45° 基表示 |0⟩ 和 |1⟩。它的优点是制备和测量简单，只需偏振控制器和偏振分束器；缺点是光纤中的双折射会随机改变偏振态，长距离传输需要主动偏振补偿。自由空间链路中偏振保持较好，因此星地量子密钥分发常采用偏振编码。
相位编码把信息写入两个时间窗口之间的相位差，典型结构是不等臂马赫-曾德尔干涉仪。|0⟩ 与 |1⟩ 对应相位 0 和 π。相位编码对光纤双折射不敏感，适合长距离光纤，但要求干涉仪臂长差稳定到亚波长量级，温度漂移和振动都会导致相位漂移，需要主动稳相。
时间编码用光子到达的早/晚时间槽表示比特，例如相邻两个时间槽分别代表 0 和 1。它不需要干涉仪，对偏振和相位都不敏感，工程实现稳健，适合多节点同步要求较高的场景；代价是时间抖动和探测器死时间会限制速率。
三、光纤与自由空间信道特性
光纤信道的主要问题是损耗和退相干。标准单模光纤在 1550 nm 窗口损耗约 0.2 dB/km，意味着 100 km 后光功率衰减约 20 dB，即只剩 1%。更关键的是，量子信号不能像经典光那样用掺铒光纤放大器直接放大，因为放大引入的噪声会破坏量子态。因此，量子中继和纠缠交换成为扩展距离的必要手段。
光纤还会引入偏振模色散、相位漂移和色散。对偏振编码，需要偏振补偿；对相位编码，需要稳相；对时间编码，需要控制色散导致的脉冲展宽。
自由空间信道的主要问题是大气湍流、指向误差和背景光。湍流导致光束漂移和波前畸变，指向误差使接收端耦合效率下降，背景光则抬高探测器暗计数。自由空间的优势是真空段损耗极低，适合卫星链路和跨楼宇短距链路。
四、多节点实验对物理层的基本要求
从两节点扩展到多节点，物理层的要求会明显提高。首先是同步：多个节点必须共享时间基准，才能让时间编码、符合计数和纠缠交换正确对齐。典型做法是用经典时钟信号或 GPS 秒脉冲同步，时间抖动需控制在探测器时间分辨率的量级，例如 100 ps 以内。
其次是波长与接口一致性。不同节点的光源、滤波器和探测器应工作在兼容波段，例如 1550 nm 通信波段，并预留波分复用通道，以便量子信号与经典同步信号共纤传输。
第三是损耗预算与探测效率。多节点链路的总损耗是各段损耗之和，若单段 50 km 光纤损耗约 10 dB，三段级联就接近 30 dB。此时必须核算光源亮度、探测器效率和符合计数率，判断是否仍能获得足够的信噪比。
第四是偏振与相位稳定性。多节点意味着更多光纤段和连接器，偏振和相位漂移会累积。工程上通常在每个节点入口设置补偿模块，并定期发送参考光进行校准。
五、一个可参考的物理层参数示例
假设一个三节点实验：A—B 为 40 km 光纤，B—C 为 30 km 光纤，采用时间编码，光源平均光子数 μ = 0.2，探测器效率 60%，暗计数 100 Hz，时间抖动 80 ps。可先估算 A—B 段损耗约 8 dB，B—C 段约 6 dB，总损耗约 14 dB。若光源重复频率 100 MHz，则到达 B 端的光子率约为 100 MHz × 0.2 × 10^(-14/10) ≈ 0.8 MHz 量级，再乘以探测效率后得到约 0.5 MHz 的探测事件率。实际符合计数还会受同步窗口和死时间限制，需要根据实测调整。
这些数字只是示例，不是实测结果，但展示了物理层设计的核心逻辑：先明确编码方式，再核算信道损耗与探测能力，最后用同步和补偿手段把多节点链路稳定下来。只有物理层参数闭合，上层的纠缠交换、路由和量子密钥分发才有可靠的基础。