4. QKD安全测试环境搭建

QKD安全测试环境不是把商用QKD设备接上电源就能开始测，而是要在受控条件下复现“光源—信道—探测—时钟—采集”这条完整信号链，并让测试人员能够独立调节每一个环节的参数。只有环境可控，攻击模型才可复现，测试结论才具备可比性。本节围绕这条信号链，说明各环节的搭建要点与集成方法。

一、光源：从“不可区分”到“可标定”

QKD光源的核心要求是单光子级弱光脉冲，典型平均光子数 μ 在 0.1～0.5 之间。测试环境中的光源通常分两类：一类是被测QKD设备自带的激光器，另一类是测试台自建的标定光源。前者用于端到端安全测试，后者用于探测器标定与攻击注入。

搭建标定光源时，需要关注四个参数：波长（常见 1550 nm 或 850 nm）、重复频率（如 1 GHz、100 MHz）、脉冲宽度（百皮秒量级）和偏振态。若测试偏振编码协议，光源后需接偏振控制器与偏振分析仪，确保输出偏振消光比优于 20 dB。衰减链通常由可调光衰减器（VOA）加固定衰减器组成，把毫瓦级激光衰减到单光子级，衰减量可达 60～80 dB。实际操作中，先用光功率计在 -10 dBm 量级标定，再逐级衰减，避免一次性衰减过大导致无法测量。

二、探测器：效率、暗计数与后脉冲

探测器是QKD系统最脆弱的环节之一，也是多数攻击（如致盲攻击、时移攻击）的作用点。测试环境中的探测器可以是被测设备自带的 InGaAs 雪崩光电二极管（SPAD），也可以是独立搭建的探测模块。关键参数包括：探测效率 η（典型 10%～30%）、暗计数率（典型 10⁻⁶～10⁻⁵ /ns）、死时间（典型 10～100 ns）和后脉冲概率。

搭建时，探测器需要与门控信号严格对齐。门控宽度通常为 1～2 ns，门控信号由时钟同步模块提供。若使用外部探测器，需通过时间数字转换器（TDC）记录光子到达时间，时间分辨率应优于 100 ps，才能分辨不同路径或不同脉冲周期的光子。测试致盲攻击时，还需在探测器前加入强光注入支路，通过可调衰减器控制注入功率，观察探测器是否从盖革模式退出。

三、信道模拟：光纤、衰减与扰动

信道模拟的目标是可控地复现真实光纤链路的损耗、色散和偏振变化。常用方案是“光纤盘+可调衰减器+偏振扰偏器”。例如，用 25 km 标准单模光纤（G.652）模拟约 5 dB 损耗，再串接 VOA 把总损耗调到 10～30 dB，对应不同传输距离。若需模拟长距离，可用多盘光纤级联，但要注意色散累积对脉冲展宽的影响。

偏振扰偏器用于模拟环境扰动引起的偏振态漂移，扰偏速率可设为 1～100 Hz，幅度覆盖整个庞加莱球。测试偏振编码系统时，扰偏器是验证系统偏振补偿能力的关键。若测试相位编码系统，则需用相位调制器或温控光纤延迟线模拟相位漂移。信道模拟部分应记录每次测试的损耗值、扰偏速率和温度，因为这些参数直接影响误码率基线。

四、时钟同步：让每个光子都有“时间坐标”

QKD系统依赖精确的时钟同步来区分不同脉冲周期的光子，并完成基矢比对。测试环境中，时钟同步模块通常由 FPGA 或专用时钟板实现，输出两路信号：一路是激光器触发信号，另一路是探测器门控信号。两路信号之间的延时需要可调，调节步进优于 100 ps，以便扫描门控位置，找到探测效率最高的对齐点。

实际操作中，先用示波器观察激光器同步输出与门控信号的相位关系，再通过可编程延时线逐步调整。若系统使用 TDC 记录光子到达时间，还需校准 TDC 的起始参考点。一个常见做法是：在固定光强下扫描门控延时，记录计数率随延时的变化曲线，曲线峰值位置即为最佳对齐点。该曲线同时可用于评估门控宽度是否合适——过宽会引入更多暗计数，过窄会降低探测效率。

五、数据采集与控制系统集成

数据采集与控制是测试环境的“神经中枢”。它需要完成三件事：第一，实时采集探测器输出（计数、时间戳），并计算误码率、计数率等指标；第二，向光源、衰减器、扰偏器、延时线等设备下发参数；第三，记录每次测试的配置与结果，形成可追溯的测试日志。

集成时建议采用“硬件触发+软件配置”的架构。硬件触发保证采集与光脉冲严格同步，软件配置负责参数扫描。例如，测试不同损耗下的误码率时，控制程序按预设步进调整 VOA 衰减值，每步稳定 1 s 后采集 10 s 数据，计算误码率并写入日志。采集卡或 FPGA 的采样率应至少为系统重复频率的 2 倍，避免漏计。若使用时间戳模式，还需保证时间戳分辨率优于脉冲周期的 1/10。

六、集成后的验证与基线建立

环境搭建完成后，不能直接进入攻击测试，而应先建立“无攻击基线”。具体做法是：在固定 μ、固定损耗、固定扰偏速率下连续采集 30 分钟，记录误码率、计数率、死时间占比等指标的均值和波动范围。例如，某 25 km 模拟链路在 μ=0.2、损耗 10 dB 时，基线误码率可能稳定在 1%～3%，计数率约 10 kcps。后续任何攻击测试，若误码率显著偏离该基线，才可判定为有效攻击效果。

基线建立后，建议用一份简短的测试环境配置表固化关键参数，便于复现和对比。下表给出一个示例配置，数值为教学假设，实际搭建时需根据设备手册和测试目标调整。

完成上述集成与基线验证后，测试环境才具备开展安全测试的条件。后续的攻击注入、参数扫描和结果分析，都应基于这套可复现的环境进行，任何参数变更都需重新记录并更新基线。