13、量子密钥分发系统：原理、应用与发展

量子密钥分发系统：原理、应用与发展

1. 自由空间量子密钥分发基础

自由空间量子密钥分发（QKD）是实现安全通信的重要手段。在该系统中，为确保Bob尽可能多地检测到Alice发出的光子，会在两端各使用一个望远镜。例如，曾选择在慕尼黑市中心两栋建筑间约500米的距离进行实验。

1.1 系统结构

• 发射端 ：Alice的装置中，一个分束器（BS）后连接望远镜，将光子发射到自由空间。
• 接收端 ：Bob的接收单元直接连接到接收望远镜末端。使用非偏振分束器、一组两个偏振分束器（PBS）和半波片（HWP）对入射光子进行偏振分析。50/50分束器随机选择基（H/V或±45°），后续的PBS和HWP确定是否能获得确定的偏振测量结果。单光子由四个硅雪崩光电二极管（APD）检测，时间戳单元记录每个检测事件的到达时间，时间分辨率优于1纳秒。

1.2 密钥筛选与处理

同步任务完成后，Alice和Bob开始密钥筛选过程。若Alice发送光子的基与Bob测量的基相同，他们将使用分配的比特值作为筛选后的密钥。但由于实验缺陷和可能存在的窃听者，会产生误差。此时使用CASCADE算法进行纠错，过程中需要公共通信，但每次公开传输的比特会增加窃听者对密钥的了解，因此在隐私放大过程中需考虑这些公开比特。

1.3 性能与限制

在夜间操作时，可实现约50 kbit/s的筛选密钥（量子比特误码率QBER = 3.2%）和约17 kbit/s的安全密钥。不过，天气条件会影响自由空间链路的衰减，如雾、大雨、降雪以及