1. 课程导入与工程全景
量子纠缠分发（Quantum Entanglement Distribution, QED）是指通过量子信道与经典辅助信道，把一对或多对处于纠缠态的量子比特，从产生节点可靠地分配到空间分离的多个用户节点，并使其保持可用纠缠度的系统级过程。它研究的不是“如何制备一个纠缠态”这一单点问题，而是“如何让纠缠在真实光纤、自由空间或卫星链路上跨越距离后仍然可用”这一工程问题。理解这一点，是进入本课程的关键：纠缠分发本质上是一个以保真度、速率和距离为核心指标的端到端系统工程，而非单纯的量子光学实验。
1.1 从物理现象到工程系统
纠缠源产生的通常是偏振纠缠或时间-能量纠缠光子对。以基于自发参量下转换（SPDC）的偏振纠缠源为例，泵浦光以一定功率入射非线性晶体，以约 10⁻⁶～10⁻⁹ 量级的概率产生信号-闲频光子对，其偏振态近似处于 |Φ⁺⟩ = (|HH⟩ + |VV⟩)/√2。这个态在实验室里可以做到保真度 0.98 以上，但一旦进入 50 km 标准单模光纤，情况立刻改变：光纤损耗约 0.2 dB/km，50 km 对应约 10 dB 衰减，光子到达率降至约十分之一；同时光纤双折射会随温度和应力漂移，使偏振态缓慢旋转，保真度可能跌到 0.7 以下。工程系统要解决的，正是这类“物理上成立、工程上不可用”的落差。
因此，一个完整的纠缠分发系统至少包含五个功能环节：纠缠产生、量子信道传输、偏振/相位补偿、探测与符合计数、以及经典同步与后处理。它们不是简单串联，而是通过时钟同步、反馈控制和密钥后处理相互耦合。下图给出全链路架构概览，可作为后续各章的“地图”。
1.2 核心工程目标与量化指标
工程目标可以归纳为四个可测量维度。第一是保真度：分发后纠缠态与理想 Bell 态的接近程度，通常用 F = ⟨Φ⁺|ρ|Φ⁺⟩ 表示，工程上要求 F ≥ 0.90 才具备可用性。第二是成对速率：单位时间内到达双方并被符合计数记录的有效纠缠对数量，典型城域系统在 10～50 km 下可做到 1～100 kcps。第三是安全密钥率：经基矢比对、误码估计和隐私放大后，最终可用于加密的密钥比特率，必须严格大于零。第四是链路可用度：在温度漂移、振动、器件老化等扰动下，系统维持上述指标的时间占比，工程上一般要求 ≥ 95%。
这四个指标并非独立。提高泵浦功率可以提升成对速率，但会引入多光子噪声，反而降低保真度；缩短补偿周期可以提升保真度，但会增加经典信道负担。工程设计的本质，是在这些相互制约的参数之间寻找工作点。
1.3 典型应用场景
纠缠分发不是孤立技术，它直接支撑三类应用。其一是量子密钥分发（QKD），以纠缠光子对作为密钥载体，通过测量基矢比对生成安全密钥，典型场景是城域政务专网和金融骨干链路。其二是分布式量子计算，多个量子处理器通过纠缠链路连接，形成可扩展的量子计算集群，对保真度要求极高（F ≥ 0.99），但距离通常较短。其三是量子传感网络，利用纠缠提升分布式时钟同步或引力波探测的灵敏度，对时间同步精度要求达到皮秒量级。三类场景对速率、保真度、距离的权重完全不同，这也是后续章节要分别讨论的原因。
1.4 全链路工程视角
把上述内容串起来，可以得到一条清晰的工程主线：纠缠源决定初始态质量，量子信道决定损耗与退相干，补偿模块决定态能否被“救回来”，探测与符合决定数据是否可信，经典后处理决定最终能否产出密钥。任何一个环节失效，整条链路就不可用。例如，若偏振补偿周期为 10 s，而光纤偏振漂移时间常数为 2 s，则保真度会在补偿间隔内跌到 0.6 以下，密钥率归零。因此，工程上必须把补偿周期压到漂移时间常数的十分之一以下。