量子通信领域一般涉及到空间不同点之间的量子信息传输。光子已经是通过光纤的“经典”信息的载体。它们也适合于编码量子比特，由于它们在速度、相干性和低传播损耗方面的有利特性，使得量子信息可以远距离传输。

量子密码学是一种保障经典数据通信的方法，是迄今为止量子通信中最先进的子领域，它基于一个基本的量子现象：由一个可观测物（在时间、能量或偏振方面）的测量引起的波函数塌缩。这导致了所谓的无克隆定理，并能可靠地检测出第三方对传输的量子比特流的任何窃听企图——这在传输用激光脉冲编码的经典比特时是不可能做到的，并且，每个激光脉冲都包含大量的光子。

量子密钥分发（QKD）允许在网络中两个遥远的点之间安全地生成密钥，然后用于加密经典数据、通过公共信道传输。目前，这一领域已经开发了许多不同的方案，第一个也是最流行的方案是BB84协议，在该协议中，一端（通常称为Alice）在两个不同的基数中生成并编码了随机的状态序列，另一端（通常称为Bob）则在两个基数中再次随机选择Alice使用的基数。然后，Alice和Bob公开分享他们对每个传输的量子比特的基础选择，只保留那些相同的，允许他们产生一个秘密密钥。

更加通用的量子通信网络通常被称为“量子互联网”，这需要将遥远的量子计算设备（如处理器和模拟器）相互连接，并在全球范围内可扩展地传输量子比特。尽管使用衰减的激光器，QKD协议都可以方便地使用弱相干态（WCSs）来实现，并且使用真正的SPS操作最多可以提高效率，但基于量子传送的高级量子网络基础设施（如量子中继器）严重依赖于确定性光子源的可用性。

纠缠的产生、分发和存储是这些系统的核心，合适的单光子或纠缠光子对源是关键的使能技术之一。

由于量子通信协议通常在某一点上与单光子传输（量子信道）有关，光子损耗是实施中的限制因素，引起错误率的增加和效率的下降。因此，通过在最佳波段工作来保持低损耗是最重要的。对于在现有的单模光纤网络上的传输，在1460-1625纳米之间的电信S波段、C波段和L波段可以实现最低损耗，其中以1550纳米为中心的C波段是最广泛实施的选择；在电信O波段（1260-1360纳米）的操作只有稍高的损失，但有零色散的好处，并为数据通信释放更长的波长。

单个光子在自由空间的传输与低地球轨道上的卫星的量子通信链接也有关。在这里，在800纳米左右的可见光谱的长波长端操作对最低损耗最有利；然而，在电信C波段操作具有在白天操作时噪音较小的好处。

为了实现量子信道的高数据容量和与最先进的QKD技术的兼容性，在千兆赫兹时钟速率下操作<200 ps的光子源以有效利用检测器门宽是另一个重要标准。考虑到未来在紧凑的终端用户硬件和由广泛分布的网格（很可能无法进入）节点组成的量子网络基础设施中部署源，之后的科研重点应该放在开发强大的设备平台，保证简单和可靠的长期运行。

成熟的单光子产生的物理系统和它们的相应性能参数。每一行的数值可能来自于不同的实验/同一实验在不同条件下的实验，现在只说明了不同物理系统假设的整体性能。Det.，确定性；FWM，四波混合；NV，氮空位；Prob.，概率；QD，量子点；SPDC，自发参量下转换；Vis，可见；WCS，弱相干态。

现在，主要有三类成熟的单/纠缠光子源在量子通信应用的某些方面有很大的潜力。

研究最广泛的光源是基于SPDC或四波混合。尽管这些源如今操作起来相当简单，实现了高的纠缠保真度，并能在讨论的任何一个通信窗口发射，但它们不是亚泊松（统计量的波动比泊松统计量小）：在涉及到光子不可分性时，需要对光谱特性进行设计。由于热统计学的规律，最大效率被限制在25%，不过，在用预示的SPS的复用方法目前在克服这一限制方面取得了进展。

量子通信中的单光子应用。a）使用电信量子点(QD)单光子源(SPS)在35公里的光纤上用时间箱(time-bin)量子比特进行量子密钥分发。b）使用自发参量下变频产生的偏振纠缠光子对进行量子密钥分发。c）使用电驱动的QD-纠缠光子对源（E-LED）的量子中继，发送器、贝尔状态分析器（BSM）和接收器分别由350米的光纤隔开。

最有希望的确定性对应物是基于单个半导体QD的源，它也可以用于发射单个或纠缠的光子对。基于QD的光源的一个主要优势是其潜在的简单电操作、而不需要激光。尽管这通常是以降低光子相干性为代价的，但这对可扩展的量子通信方案至关重要，这使得这些器件成为量子通信应用中稳健和安全部署的主要候选器件。

另一类光子源对量子通信特别重要，它们是基于单个激光冷却的原子或金刚石中的缺陷中心，它们的共同点是静态自旋量子比特与发射的单个光子的量子态相耦合。尽管缺乏与光纤波长电信频段的兼容性，并且由于所使用的长寿命激发态只有较低的运行速度，这些源在量子中继器的应用上有很大的潜力，因为它们实际上是静态的量子存储器，通常可以选择确定性的高保真状态操作和读出——这是实现大距离纠缠互换的量子中继器链的关键任务。

1）使用单光子源的量子密码学

由于多年来缺乏便携式SPS，量子密码学领域已经适应了使用WCS激光源——它现在几乎是每个QKD系统的标准工作原理。诱骗协议的实施允许检测窃听企图（即使单光子系统中的弱相干激光脉冲被用于传输量子比特），该技术目前的技术水平是以千兆赫的时钟速率运行的系统，安全（量子）比特率超过10 Mb s-1、最大传输距离超过240公里（光纤）和1200公里（自由空间）。

将量子通信硬件集成到现有的通信网络中的重要一点是与经典数据流量复用的能力。这可以通过坚持使用经典通信中使用的波分复用方法来可靠地实现，要求未来的SPS符合相同的经典波长标准。

即使目前QKD技术的安全性不会因为使用WCS源而受到影响，但它们的操作本质上是概率性的：这对于通常使用的平均光子数为0.4-0.5的信号状态效率有限（大约为30-40%）。只要确定性的SPS超过这个界限，它们在量子密码学中的使用就会有明显的好处，从而产生更高的安全比特率，特别是在更长的传输距离上。

2）基于纠缠的量子通信

超越简单点对点加密的量子通信应用大多需要以某种形式分配纠缠。在量子中继链中，量子比特从一个中继站连续传送到另一个中继站，一个节点的投影贝尔状态测量会作为预示事件，预示着一个量子比特到达下一个节点。这有效地减少了一些主要由探测器暗计数引起的噪音，从而延长了整体传输距离。

纯粹的光量子中继并没有解决由于光子损失而产生的可扩展性问题，因为单个量子比特仍然需要通过光纤进行物理传播。相比之下，量子存储器辅助的中继器有望通过量子比特的远距离传输来解决这个问题，而之前的链接端点之间的纠缠分布是在远距离的。长距离纠缠是通过中间量子中继器节点之间的纠缠互换产生的，如果量子中继器确实有助于确保更远距离的安全通信，它们无助于提高数据速率，因为这仍然是由光子量子的原始源提供的。

人们可以区分三种不同的方法来实现量子中继器。第一种方法是将光子源和中继器的存储器完全分开，因此必须在这两种技术之间实现良好的接口，以便实现光子到静态量子比特的有效纠缠转移。使用预示的SPS和单原子、稀土掺杂的晶体量子存储器，基于原子的SPS和量子存储器以及基于QD的SPS和量子存储器，已经进行了量子存储器系统控制吸收单光子的初步实验。它们显然拥有很高的效率，因此，光子源和量子存储器的确定性操作与良好的带宽匹配对可扩展的实施同样重要。

第二种方法是利用可同时作为量子存储器的SPS，例如，发射与单个或集体自旋纠缠的单光子。通过对光子的投射测量产生两个节点之间的遥远纠缠，在这种纯概率的方法中基于巧合检测产生预示事件，有效地抑制了噪声。这使得它即使在非决定性的低效率源下也是可行的。

第三种较新的量子中继器的方法是纯光子的，不需要量子存储器（至少在建立超越QKD的通用量子通信信道时，对长距离链路中的所有中间节点是如此）。之前讨论的方法和这个方案之间的显著区别是，中继器节点之间不需要经典通信，这也是其他中继器方案中需要长量子比特存储时间的主要原因之一，该方案需要分布类似于全光量子计算中使用的大规模光子集群状态。到目前为止，这个中继器方案是唯一一个在实验中成功实施的方案：使用六个SPDC光子对源。

关于使用确定性SPS产生簇状状态，使用QD SPS也取得了很好的进。通过卫星上的可信节点或基于不可信节点的新QKD方案（如独立测量设备-QKD或双场QKD），对QKD的长距离扩展性问题也有很好的中间解决方案。

3）量子通信的现场演示

在现有的光纤网络上，已经有许多QKD的演示。由于真正的便携式和有效的确定性SPS仍未广泛使用，其中绝大多数都是用WCS源或概率预示源完成的。

由于目前在正确的波段产生真正的单光子的来源的复杂性要高得多，到目前为止，现场演示的情况非常少。虽然没有使用标准的电信网络，但通过双光子干扰实现的远距离物质量子的宏观纠缠已经在几百米的距离上得到了证明。与标准电信频段的不兼容是目前这些方案扩展到更大距离的主要限制。在这方面，量子频率转换是一个可能的解决方案——尽管其代价是增加了复杂性。

另一种有希望的、可能更简单的方法是使用直接在电信波长上发射的QD单光子和纠缠对源，这已经在大都市规模的标准电信网络中得到证明。

总的来说，尽管量子通信所需的所有构件都已经用不同种类的SPS进行了演示，但这些光源的实际应用仍然远远落后于基于WCS或非线性光子源的技术。这种情况目前阻碍了可扩展的量子通信链路的实施，需要确定性的亚泊松SPS或纠缠光子对源，这将最终建立一个全球规模的量子网络。

科学家仍然需要对物理系统进行研究，以获得一个确定性的SPS，同时具有高效率（>50%）、高光子不可辨性、千兆赫兹重复率和在实验室中的电信波长发射。除此之外，在通信网络中应用的主要挑战将是在SPS中操作发射元件所需的周围（目前通常是实验室填充）技术的可部署性。这主要需要对稳定的激光系统进行进一步的小型化和集成，因为共振光学激发或激光冷却的发射器（QD、NV色心和原子）需要这些系统，在可见光范围内发射的SPS需要频率转换器的小型化（NV色心和原子），以及开发紧凑型低温冷却器，因为大多数基于固态的源（QD和NV中心）需要这些设备。

虽然这些只是技术上的挑战，但目前的新兴技术（例如碳纳米管或二维材料），可能不需要任何这些周边技术，因此可以大大促进量子通信的发展。然而，目前对这些系统的研究仍处于早期阶段，无法做出任何预测。

文章来源：中国科学院物理研究所