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穿越湍流，捕捉单光子：SNSPD如何支撑自由空间量子通信里程碑突破

量子密钥分发（QKD）基于量子力学原理，能实现理论上”不可破解”的保密通信，是未来国家信息安全基础设施的核心基石。但传统光纤QKD受限于光纤固有损耗（典型值0.2 dB/km@1550 nm），距离难以突破千公里，且无法覆盖海洋、荒漠、高空等无光纤区域。要构建真正的全球量子通信网络，自由空间QKD，尤其是星地量子链路，是可行的技术路径之一。

 

过去十年，中国科学家在这一领域持续领跑全球：从8公里城市白天通信到14.2公里自由空间双场量子密钥分发，从只能夜间工作到实现24小时全天候运行，一步步突破着自由空间量子通信的物理极限。而支撑这些里程碑突破的核心利器之一，正是超导纳米线单光子探测器（SNSPD）。

一、自由空间：量子信号的四大挑战

 

光纤信道稳定、可控、低噪；而自由空间信道则是量子信号的”炼狱”——湍流、损耗、噪声、相位扰动四重极端挑战叠加，每一关都足以让量子通信彻底失败。

 

1.大气湍流：让相干信号变成随机噪声

地面10-20 km水平大气的湍流强度，是星地垂直链路的10-100倍。温度和气压的随机涨落形成空气”涟漪”，当单光子穿过时会发生：

  • 波前畸变：光子空间模式被破坏，单模光纤耦合效率波动可达10 dB以上，信号强度忽强忽弱甚至完全丢失；
  • 相位快速漂移：速率高达2.1 rad/ms，TF-QKD依赖的单光子干涉几乎无法维持；

一句话：大气湍流能让精心制备的单光子从”相干信号”退化为”随机噪声”。

2.超高信道损耗：光子信号九死一生

自由空间信道总损耗高达40-70 dB，如果使用传统雪崩光电二极管（APD），其1550 nm波段探测效率仅约20%，最终能被探测到的信号光子几乎”归零”。

3.强背景噪声：在阳光下找萤火虫

日光、天光、城市光污染形成的背景噪声，是自由空间QKD的”头号杀手”。即使在太阳辐射较弱的1550 nm通信波段，白天天空背景光产生的计数率也能达到106-109 cps，是量子信号计数率的百万倍以上。叠加传统探测器暗计数高，噪声会完全淹没单光子信号，这也是早期自由空间QKD只能在夜间工作的根本原因。

4.相位/偏振不可区分：干涉形同虚设

MDI-QKD和TF-QKD等先进协议，都依赖两个独立光源发出的单光子在第三方测量站发生完美的量子干涉。但在自由空间信道中，两路光子的到达时间、相位受湍流影响容易失配，导致干涉可见度暴跌、误码率飙升，没有稳定的光纤信道传递参考信号，只能通过独立的超稳时钟和原子钟实现同步，技术难度呈指数级上升。

二、中国自由空间QKD的里程碑：

 

从实验室走向真实世界

自由空间QKD的发展史，本质上是一场与”大气湍流”和”量子极限”的持久战。

 

2018年：实现城市白天自由空间QKD

 

中科大团队在上海完成8公里城市白天自由空间QKD实验，密钥率达到98-419 bps，覆盖了除正午强湍流时段外的大部分白天时间。

 

技术突破：将自适应光学技术引入城市白天QKD，采用随机并行梯度下降（SPGD）算法控制变形镜，实时补偿波前畸变，将单模光纤耦合效率提升了2-3倍。

穿越湍流，捕捉单光子：SNSPD如何支撑自由空间量子通信里程碑突破
图1、实验装置原理图。

 

2020年：实现长距离自由空间MDI-QKD

 

团队在上海实现19.2公里自由空间测量设备无关QKD（MDI-QKD），距离超越大气有效厚度（约10公里），为星地MDI-QKD奠定了坚实基础。

 

技术突破：通过独立超稳晶振和氢氰酸分子频率标准，将时间同步精度控制在32 ps，频率差控制在10 MHz以内，最终观测到了可见度达0.474的Hong-Ou-Mandel干涉。

穿越湍流，捕捉单光子：SNSPD如何支撑自由空间量子通信里程碑突破
图2、自由空间测量设备无关量子密钥分发实验装置。

 

2024年：实现24小时全天候自由空间QKD

 

团队在新疆完成20公里全天时自由空间QKD实验，平均密钥率达495 bps，首次实现了从白天到黑夜的连续量子通信，解决了卫星QKD只能夜间工作的核心痛点。

 

技术突破：开发了625 MHz高速鲁棒性光源，采用”空间-光谱-时间”三维滤波技术：单模光纤空间滤波抑制背景光场，28 pm窄带Fabry-Perot滤波器实现近单光谱模式，800 ps门控时间滤波进一步降低暗计数。同时集成156 Mbps双向激光通信，将密钥蒸馏延迟从”数天”缩短到”实时”。

穿越湍流，捕捉单光子：SNSPD如何支撑自由空间量子通信里程碑突破
图3、20 公里自由空间链路全天候实时量子密钥分发实验布局

 

穿越湍流，捕捉单光子：SNSPD如何支撑自由空间量子通信里程碑突破
图4、自由空间量子密钥分发实验结果

 

2025年：首次实现自由空间双场QKD

 

2025年3月，团队在上海实现14.2公里自由空间双场QKD（TF-QKD），密钥率突破了无中继量子通信的PLOB容量极限。这是全球首次在自由空间信道实现TF-QKD。

 

技术突破：采用两台线宽仅几赫兹的超稳激光器和铷原子钟，通过开环时间和相位控制，无需辅助信道即可稳定干涉，最终实现了100.8 bps的安全密钥率。

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图5、自由空间双场量子密钥分发实验装置。

 

三、SNSPD：自由空间QKD的”火眼金睛”

 

纵观自由空间QKD的一系列里程碑突破，科学家均选用SNSPD，它也是当前唯一能够全面适配该场景严苛需求的单光子探测器。对比传统光电倍增管（PMT）与雪崩光电二极管（APD），SNSPD综合性能优势突出，足以应对自由空间QKD的各类极端工况。

 

性能指标

 
1550 nm 

 

InGaAs APD
1550 nm

 

商用SNSPD
探测效率

 
~20%

 
>90%

 
暗计数率

 

~103 cps
<10 cps

 
时间抖动

 
~100 ps

 
<50 ps

 
后脉冲概率

 
~10%

 
无

 
四、未来展望：构建全球量子互联网

 

自由空间QKD的最终目标，是构建覆盖全球的量子互联网。从8公里到14.2公里，从黑夜到白昼，从地面到太空，中国科学家正在一步步将全球量子通信的梦想变为现实。而SNSPD这颗”量子明珠”，也将在这场信息革命中绽放出更加耀眼的光芒。

 

参考文献：

[1] Gong Y H, Yang K X, Yong H L, et al. Free-space quantum key distribution in urban daylight with the SPGD algorithm control of a deformable mirror[J]. Optics Express, 2018, 26(15): 18897-18905.

[2] Cao Y, Li Y H, Yang K X, et al. Long-distance free-space measurement-device-independent quantum key distribution[J]. Physical Review Letters, 2020, 125(26): 260503.

[3] Cai W Q, Li Y, Li B, et al. Free-space quantum key distribution during daylight and at night[J]. Optica, 2024, 11(5): 647-652.

[4] Li Y H, Zeng T, Wang M Y, et al. Free-space TWin-field quantum key distribution[J]. Nature Photonics, 2026: 1-6.

 

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