2. 量子密钥分发链路工作原理与关键性能指标

量子密钥分发（QKD）链路并不是“把密钥装进光纤发过去”，而是通过量子态制备、传输、探测与经典后处理，在两端协商出一串只有通信双方知道的对称密钥。理解链路性能，必须同时抓住两条并行的通道：一条是承载单光子量子态的量子信道，另一条是承载基矢比对、纠错、隐私放大等信息的经典信道。本节以BB84协议和诱骗态方法为主线，说明链路实现方式以及密钥率、误码率、成码距离、安全参数之间的定量关系。

BB84协议的链路实现

BB84使用两组共轭基：直角基（Z基，比特0/1对应水平/垂直偏振，或相位0/π）和对角基（X基，比特0/1对应+45°/−45°偏振，或相位π/2/3π/2）。发送端Alice对每个比特随机选择基和比特值，制备对应量子态；接收端Bob独立随机选择测量基。若基一致，理想情况下结果确定；若基不一致，结果随机。双方通过经典信道公开比对基选择（只公布基，不公布比特），保留基一致的筛后密钥（sifted key）。随后进行误码估计、纠错和隐私放大，最终得到安全密钥。

实际链路中，Alice端通常由激光器加强度调制器产生弱相干态，用诱骗态方法抵御光子数分离（PNS）攻击；Bob端使用单光子探测器（如InGaAs雪崩二极管或超导纳米线探测器）在门控模式下探测。量子信道为光纤或自由空间，经典信道可与量子信道波分复用，但必须保证经典光不会串扰到单光子探测端。

关键性能指标的定义与关系

密钥率（Key Rate）是QKD链路最核心的指标，通常用每秒生成的安全密钥比特数表示（bps）。它由筛后密钥率、误码率和隐私放大压缩量共同决定。在诱骗态BB84中，安全密钥率的下界可近似写为：

R ≥ q · { -Q_μ · f(E_μ) · H₂(E_μ) + Q₁ · [1 - H₂(e₁)] }

其中q为基比对效率（BB84中约1/2），Q_μ为信号态总增益，E_μ为总误码率，f(E_μ)为纠错效率（通常1.1～1.2），H₂为二元香农熵，Q₁和e₁分别为单光子态的增益和误码率。诱骗态方法的核心作用，就是通过不同强度（信号态μ、诱骗态ν、真空态）的统计结果，估计出Q₁和e₁的下界，从而在存在PNS攻击时仍能给出安全密钥率。

误码率（QBER）是筛后密钥中错误比特的比例。它直接决定纠错开销和隐私放大压缩量。QBER越低，可提取的安全密钥越多；当QBER超过约11%（BB84理论阈值）时，安全密钥率降为零。实际链路中，QBER主要来自探测器暗计数、光学元件偏振串扰、相位漂移、多光子成分以及经典光串扰。

成码距离与密钥率互为制约。光纤损耗随距离指数增长，单光子到达率下降，暗计数占比上升，QBER升高，密钥率下降。典型G.652光纤在1550 nm窗口损耗约0.2 dB/km，意味着50 km链路损耗约10 dB，100 km约20 dB。在探测器暗计数率约100 Hz、系统时钟1 GHz的示例条件下，50 km链路密钥率可能在kbps量级，100 km可能降至百bps量级，具体数值取决于探测器效率和诱骗态参数优化。

安全参数通常用ε表示，描述协议被攻破的概率上界。实际系统需将总安全参数分解为多个子项：ε_sec（隐私放大后密钥与理想密钥的统计距离）、ε_cor（纠错后残留错误概率）、ε_PA（隐私放大哈希函数碰撞概率）等。安全参数越小，所需隐私放大压缩量越大，最终密钥率越低。工程中常取ε在10⁻⁹～10⁻¹²量级，需在安全性与密钥率之间折中。

链路参数示例与判读

下表给出一组教学示例参数（非实测结果），用于说明各指标如何共同决定最终密钥率。假设系统时钟1 GHz，信号态强度μ=0.5，诱骗态ν=0.1，纠错效率f=1.15，安全参数ε=10⁻¹⁰。

从示例可以看出，50 km到80 km之间密钥率下降超过两个数量级，原因是损耗导致单光子计数率急剧下降，同时暗计数和多光子成分使QBER快速上升。实际调试时，应重点观察三个量：探测器计数率是否随距离合理下降、QBER是否在预期范围内、诱骗态估计出的Q₁和e₁是否稳定。若QBER异常偏高，优先排查偏振控制、探测器暗计数和经典光串扰；若密钥率低于预期但QBER正常，则检查诱骗态强度设置和纠错效率。

综上，BB84与诱骗态QKD链路的性能由“量子态制备—信道传输—探测—经典后处理”全链条决定。密钥率、误码率、成码距离和安全参数不是孤立指标，而是通过增益、误码和压缩量紧密耦合。掌握这些定义与关系，是后续进行链路测试、参数优化和结果判读的基础。