2. 单光子源与探测器：单光子源类型、单光子探测器原理、暗计数与时间抖动

好，咱们接着聊。上一章我们把QKD的系统框架搭起来了，说白了就是知道了“谁在发”、“谁在收”、“走什么路”。但真正决定这个系统能不能跑起来、安不安全的核心，其实就两个东西：单光子源和单光子探测器。

我个人的习惯是，每次带新人做实验，第一件事就是让他们去摸这两个器件。为什么？因为QKD的物理层安全，说白了就建立在“单光子”这个假设上。如果源不纯、探测器不灵，那整个系统的安全性就是空中楼阁。

2.1 单光子源类型

理想中的单光子源，每次只发射一个光子，而且这个光子还得是“不可分割”的。但现实世界里，没有这么完美的东西。我们常用的单光子源，其实分这么几类：

• 弱相干光源（WCP）：这是最常用的，说白了就是把激光器衰减到极低功率。平均每个脉冲里只有0.1个光子左右。你想想看，这其实是个概率事件——大部分脉冲是空的，少部分有一个光子，极少数有两个或更多。我在项目中遇到过，如果衰减没调好，多光子概率一高，就容易被窃听者利用光子数分裂攻击。
• 量子点单光子源：这个就高级一些了。利用半导体量子点，一次激发只产生一个光子。纯度很高，但问题是需要低温环境（液氦温度），而且耦合效率是个大麻烦。我记得有一次在实验室调量子点，光是对准光纤就花了一整天。
• 参量下转换（SPDC）源：这个其实不是“直接”产生单光子，而是产生一对纠缠光子。你探测到一个，就知道另一个存在。常用于纠缠分发型的QKD。它的好处是确定性高，但效率偏低。

2.2 单光子探测器原理

探测器是QKD系统里最娇贵的部件。它的任务很简单：把一个光子打进来这件事，变成一个电信号。但难就难在，这个信号太弱了，弱到可能被一个热噪声就淹没了。

目前主流的是单光子雪崩二极管（SPAD）。原理其实不复杂：

1. 给二极管加一个反向偏压，这个电压比击穿电压还高一点点（这叫“盖革模式”）。
2. 一个光子进来，产生一个电子-空穴对。
3. 这个电子在强电场下加速，撞出更多电子，形成雪崩效应。
4. 电流瞬间变大，被检测电路捕捉到。

嗯，这里要注意：雪崩一旦开始，不会自己停。必须靠一个“淬灭电路”把电压降下来，让雪崩熄灭，然后重新充电准备下一次探测。这个“死时间”就是探测器的恢复时间。

2.3 暗计数与时间抖动

这两个参数，是衡量探测器“好不好用”的核心指标。说白了，就是看它会不会“乱报”和“报不准”。

暗计数

什么叫暗计数？就是明明没有光子打进来，探测器自己“瞎报”了一个信号。原因很多：热噪声、隧穿效应、杂质缺陷等等。你想想看，如果暗计数太高，Bob那边收到一堆假信号，Alice发来的真光子反而被淹没了。

我个人的习惯是，在系统搭建完成后，先测一下暗计数率。一般要求低于100 cps（每秒计数）。如果超过这个数，就得考虑降温或者换探测器了。我曾经有一次，系统白天跑得好好的，一到晚上暗计数就飙升，查了半天发现是实验室的空调晚上关了，温度升高导致的。

时间抖动

时间抖动，指的是光子到达时间和探测器输出电信号之间的时间偏差。这个偏差越小，说明探测器的时间分辨率越高。

为什么这个重要？因为QKD里，我们经常用时间窗口来筛选光子。比如，Alice在时间t发送，Bob只在[t-Δt, t+Δt]这个窗口内接收。如果抖动太大，窗口就得开宽，噪声也就跟着进来了。

2.4 知识体系结构图

下面这张图，是我自己总结的。它把单光子源和探测器的核心逻辑串起来了。你一看就明白，整个QKD系统的物理层，其实就是围绕“源”和“探”这两个点展开的。

2.5 关键参数对比表

最后，我整理了一个表格。这个表是我做系统选型时必看的。你把它打印出来贴在工位上，选器件的时候对照着看，基本不会踩大坑。

参数	弱相干光源	量子点源	SPAD探测器	超导纳米线探测器
典型效率	N/A（衰减后）	~30%	~25%	~90%
暗计数	N/A	N/A	~100 cps	~10 cps
时间抖动	N/A	N/A	~50 ps	~30 ps
工作温度	室温	~4K	~-20°C	~2K
成本	低	高	中	极高

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