4. 自由空间量子探测与接收系统

在自由空间多节点量子网络中，接收端要解决的核心问题不是“把光收进来”这么简单，而是要在极低光子通量、强背景光、多节点并发到达的条件下，把每一个有效光子事件准确转换成带时间戳的数字事件，再通过符合计数判断哪些事件来自同一量子态、同一节点对或同一次纠缠分发。因此，探测与接收系统本质上是一条“光—电—时间—逻辑”的信号链：望远镜与耦合光学负责收集和模式匹配，单光子探测器完成光电转换，时间标记单元给出到达时刻，符合计数引擎完成多通道关联判决。

一、单光子探测器：从器件到可用事件

自由空间链路中，接收光功率常低至单光子每脉冲量级。工程上常用的单光子探测器包括硅雪崩光电二极管（Si-APD）、铟镓砷/铟磷雪崩二极管（InGaAs/InP APD）以及超导纳米线单光子探测器（SNSPD）。Si-APD 在 600–850 nm 波段量子效率高、暗计数低，适合地面短距或星地下行链路；InGaAs/InP APD 覆盖 900–1550 nm 通信波段，但暗计数和死时间通常更差；SNSPD 在 1550 nm 附近可同时做到高探测效率、低暗计数和低时间抖动，是多节点自由空间网络接收端的优选，但需要 2–3 K 低温环境。

以 1550 nm 自由空间链路为例，若接收望远镜口径 200 mm、链路总效率（大气透过率×光学耦合效率×探测器效率）为 0.25，发射端每脉冲平均光子数为 0.1，则接收端每脉冲平均探测事件数约为 0.025。此时探测器输出的是离散的“点击”事件，而不是连续光电流。工程上必须关注四个参数：探测效率 η、暗计数率 DCR、死时间 τ_d、时间抖动 jitter。它们共同决定后级符合计数的信噪比和可用的时间窗口宽度。

二、超导纳米线探测器：偏置与读出

SNSPD 工作在略低于临界电流的偏置点。光子吸收后局部形成热点，纳米线短暂进入电阻态，产生电压脉冲。读出电路通常由偏置 T 型网络、低噪声放大器和比较器组成。偏置电流一般设为临界电流的 80%–90%，过高会增大暗计数，过低则降低探测效率。典型 SNSPD 在 1550 nm 下探测效率可达 80% 以上，暗计数低于 100 cps，时间抖动约 20–50 ps，恢复时间约 10–50 ns。对于多节点接收，恢复时间决定了最大可用计数率，若单节点到达率超过 1/τ_d，就会出现饱和与计数丢失。

三、阵列探测与多节点空间分离

多节点接收不能只靠一个探测器。不同节点可能来自不同方向，若全部耦合到同一根光纤，就无法区分来源。工程上常用两种方案：一是多望远镜—多光纤—多探测器，每个节点对应独立通道；二是阵列探测器，如 SNSPD 阵列或 SPAD 阵列，每个像素对应视场中的不同区域。阵列探测的关键指标是像素间串扰、填充因子和通道间时间一致性。若阵列像素间时间偏差超过符合窗口的 1/3，就会显著降低符合计数对比度。

四、时间标记与符合计数：把事件变成关联

时间标记单元（TDC）把每个探测器脉冲转换为数字时间戳。自由空间多节点场景下，各节点时钟必须同步，常用 GPS 驯服铷钟或白兔（White Rabbit）协议，同步精度需优于符合窗口的 1/5。若符合窗口取 500 ps，则同步误差应控制在 100 ps 以内。TDC 分辨率通常为 10–50 ps，多通道之间还需做固定延迟校准。

符合计数引擎接收多通道时间戳流，在滑动窗口 Δt 内判断是否存在来自不同通道的事件对。设通道 1 计数率 R₁=1×10⁵ cps，通道 2 计数率 R₂=1×10⁵ cps，Δt=500 ps，则偶然符合率约为 R₁R₂Δt=5×10³ cps。若真实符合率为 2×10⁴ cps，则总符合率约 2.5×10⁴ cps，扣除偶然符合后得到净符合 2×10⁴ cps。工程上通过测量延迟扫描曲线，观察符合峰与平坦本底，即可判断窗口是否合适、通道是否对齐。

五、面向多节点接收的工程实现要点

多节点接收系统需要同时处理空间分离、时间同步和计数率匹配三个问题。空间上，每个节点对应独立光纤或阵列像素，避免模式混叠；时间上，所有通道共用同一时基，并定期注入同步脉冲校准；计数率上，根据探测器死时间设置前端衰减或门控，防止饱和。实际调试时，可先关闭量子源，仅记录暗计数与背景光，得到各通道本底；再开启弱相干光源，扫描延迟，确认符合峰位置与宽度；最后接入多节点量子态，观察净符合计数率与对比度是否达到预期。

综上，自由空间多节点量子接收系统的工程实现，核心是把“单光子探测—时间标记—符合计数”串成一条可校准、可观测、可判据的信号链。探测器决定事件质量，TDC 决定时间精度，符合引擎决定关联判决，而多节点空间分离与时钟同步则决定系统能否真正区分不同来源。只有这些环节协同工作，才能把自由空间中的微弱量子信号转化为可用的多节点关联事件。