3. 量子光源与单光子源工程选型
自由空间多节点量子网络的光源选型，不是简单比较“哪个源更先进”，而是要把光源的量子态特性、链路损耗、探测体制、同步精度和安全模型放在同一张工程约束表里权衡。本节围绕三类主流光源——弱相干态（WCS）、预报单光子源（HSPS）和纠缠源（EPR/SPDC）——说明它们在多节点自由空间网络中的适配条件、同步需求与安全假设差异，并给出可操作的选型判断方法。
一、三类光源的物理本质与工程表征
弱相干态（WCS）是衰减后的激光脉冲，其光子数服从泊松分布，平均光子数 μ 通常取 0.1～0.5。关键工程参数是：μ、脉冲重复率 f_rep、谱宽 Δλ、时间抖动 jitter。由于存在多光子脉冲，WCS 在无诱骗态时无法抵御光子数分离（PNS）攻击，因此必须配合诱骗态协议（Decoy-State BB84）使用。
预报单光子源（HSPS）利用自发参量下转换（SPDC）产生孪生光子对，一路作为预报（herald）光子被探测，另一路作为信号光子输出。其核心指标是预报效率 η_h、二阶关联 g²(0)、以及预报后剩余的多光子概率 p_multi。HSPS 的“单光子性”由预报事件条件化，因此其安全假设比 WCS 更接近理想单光子源，但代价是需要额外的预报探测通道和符合逻辑。
纠缠源基于 SPDC 或量子点产生偏振/时间-能量纠缠对，典型指标包括保真度 F、纠缠度（如 concurrence）、以及 Bell 不等式违背量 S。纠缠源可直接用于 E91 类协议或纠缠交换，是构建多节点纠缠路由的基础，但对链路相位稳定性、偏振保持和同步符合窗口要求最高。
二、自由空间多节点网络的适配条件
自由空间链路的核心约束是：大气湍流导致的光束漂移与到达角起伏、背景光噪声、以及节点间相对运动引起的指向误差。三类光源的适配条件可归纳为：
- WCS：适合链路损耗中等（如 10～30 dB）、背景光可控的近地水平链路；对偏振漂移不敏感，可用时间编码或相位编码；但必须启用诱骗态，且 μ 需随链路损耗动态优化。
- HSPS：适合需要更低多光子概率的高安全场景；预报通道本身也需经过自由空间或本地短链路，若预报光子损耗过大，预报效率下降会直接降低成码率。
- 纠缠源：适合需要纠缠分发、纠缠交换或多节点纠缠路由的场景；但要求链路两端共享参考系（偏振或相位），且对同步符合窗口要求最严。
三、同步需求对比
多节点网络中，同步精度直接决定符合探测的信噪比和成码率。WCS 通常只需脉冲级同步（约 100 ps～1 ns），因为探测事件由本地时钟标记即可；HSPS 需要预报-信号符合，符合窗口通常为 1～5 ns，取决于探测器抖动和链路时延差；纠缠源则需要更精细的符合窗口（约 100 ps～1 ns），且多节点间需保持时间基准一致，否则纠缠交换的 Bell 态测量会失效。
四、安全假设的差异与工程含义
三类光源的安全假设并不等价。WCS 的安全性建立在诱骗态方法之上：通过发送不同强度的脉冲，估计单光子计数率与误码率，从而约束窃听者信息量。若省略诱骗态，PNS 攻击可在不引入额外误码的情况下获取全部密钥。HSPS 的安全性来自预报事件的条件化——只有预报探测到光子时，信号光子才被使用，因此多光子概率被压低；但预报探测器本身的暗计数和效率会引入新的侧信道。纠缠源的安全性由 Bell 不等式违背量保证，其前提是测量设备可信或采用设备无关协议；在自由空间链路中，偏振漂移会降低 S 值，必须实时补偿。
五、选型示例与参数判断
假设一个三节点自由空间网络：A-B 距离 5 km，B-C 距离 8 km，链路损耗分别约 18 dB 和 24 dB，背景光计数率约 10³ cps，探测器抖动 200 ps。若目标是分发密钥，且节点间已有 GPS 秒脉冲同步（精度约 10 ns），则：
- 若采用 WCS，μ 可取 0.3，诱骗态取 0.5 和 0，重复率 100 MHz，预计成码率在 10 kbps 量级（示例估算，实际需结合具体链路标定）。
- 若采用 HSPS，预报效率 η_h 约 0.3，符合窗口取 2 ns，则有效信号计数率约为 WCS 的 1/3～1/2，但多光子概率可降低一个数量级。
- 若采用纠缠源，需额外考虑偏振补偿，S 值在 5 km 链路下可能从 2.7 降至 2.4 左右，需通过主动补偿维持 S > 2.4。
选型判断可归纳为：需要纠缠分发或纠缠路由 → 纠缠源；需要高单光子纯度且可接受预报损耗 → HSPS；链路损耗中等、背景光可控、追求成熟工程实现 → WCS + 诱骗态。无论选择哪类光源，同步精度、参考系一致性和安全假设都必须与协议层联合验证，不能孤立地只看光源指标。