2025年大學(xué)《物理學(xué)》專業(yè)題庫——量子光學(xué)在信息處理中的應(yīng)用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請將正確選項的字母填入括號內(nèi)，每題3分，共30分）1.下列哪個物理量是光子的量子化表征？()A.頻率B.功率C.等效質(zhì)量D.約化普朗克常數(shù)乘以頻率2.在量子光學(xué)中，相干態(tài)光場最顯著的特征是？()A.具有最小不確定性關(guān)系B.光子數(shù)統(tǒng)計遵循泊松分布C.完美地模擬經(jīng)典光場D.無法被探測到3.量子密鑰分發(fā)（QKD）利用量子力學(xué)哪個基本原理來保證密鑰的安全性？()A.能量守恒B.動量守恒C.不可克隆定理D.簡并性4.簡并量子密鑰分發(fā)（BDKQKD）協(xié)議中，通常使用哪種光源？()A.激光器B.單光子源C.泵浦-探測激光器D.調(diào)制光柵5.量子隱形傳態(tài)的核心資源是？()A.量子比特B.量子糾纏C.量子相干D.量子退相干6.以下哪種光源最適合用于量子通信？()A.強(qiáng)相干激光B.自然光C.單光子發(fā)射源D.泵浦激光7.量子成像技術(shù)相比經(jīng)典成像的主要優(yōu)勢在于？()A.更高的分辨率B.更快的成像速度C.對相位信息的敏感性D.更低的噪聲8.壓縮態(tài)光場的關(guān)鍵特征是？()A.光子數(shù)分布的寬度小于泊松分布B.光子數(shù)分布的寬度大于泊松分布C.光強(qiáng)恒定D.偏振方向固定9.量子計算利用光子作為量子比特（qubit）的主要優(yōu)勢之一是？()A.光子易于操控B.光子傳輸損耗小C.光子頻率高D.以上都是10.以下哪項技術(shù)不屬于量子光信息處理的范疇？()A.量子密鑰分發(fā)B.量子雷達(dá)C.經(jīng)典數(shù)字通信D.量子隱形傳態(tài)二、填空題（請將答案填入橫線上，每空2分，共20分）1.描述單光子態(tài)的數(shù)學(xué)形式通常用________態(tài)矢表示。2.量子密鑰分發(fā)協(xié)議BB84中，使用了兩種不同的________基進(jìn)行測量。3.約化糾纏態(tài)密度矩陣的跡為零是________態(tài)的一個特征。4.在量子信息處理中，糾纏光子對通常通過________過程制備。5.量子信息處理的根本資源是量子________和量子________。三、簡答題（請簡要回答下列問題，每題5分，共20分）1.簡述量子不可克隆定理及其在量子信息處理中的意義。2.簡要說明量子密鑰分發(fā)（QKD）的基本原理和安全性優(yōu)勢。3.解釋什么是壓縮態(tài)，并說明其在量子信息處理中可能的應(yīng)用。4.描述量子隱形傳態(tài)與經(jīng)典信息傳輸?shù)闹饕獏^(qū)別。四、計算題（請列出必要的公式和計算步驟，每題10分，共30分）1.假設(shè)一個量子通信系統(tǒng)使用單光子源，探測器的探測效率為90%，誤碼率為1%。試估算該系統(tǒng)在理想情況下能分發(fā)的最大密鑰率（比特/秒）。（提示：可以使用QKD的基本公式，并假設(shè)使用的是E91協(xié)議或類似的測量設(shè)備錯誤率公式，如P_e=1-cos(θ)2，其中θ為測量角度差）。2.一個兩光子Bell態(tài)可以表示為|Φ??=(|00?+|11?)/√2。如果測量到該態(tài)在Z基下的投影為|00?，試描述光子1和光子2的量子狀態(tài)。如果測量結(jié)果為|11?呢？3.設(shè)有一束高斯光束，其光子數(shù)分布遵循泊松統(tǒng)計，平均光子數(shù)為n=10。試計算該光束在相干時間內(nèi)的平均光子數(shù)和光子數(shù)方差。并與同樣平均光子數(shù)的壓縮態(tài)進(jìn)行比較（假設(shè)處于最小糾纏態(tài)）。五、論述題（請結(jié)合所學(xué)知識，對下列問題進(jìn)行論述，共20分）論述量子光學(xué)在實現(xiàn)高性能量子傳感（例如，磁場、電場、溫度傳感）方面的優(yōu)勢，并簡要說明其基本原理。試卷答案一、選擇題1.D2.C3.C4.B5.B6.C7.C8.A9.D10.C二、填空題1.線偏振2.偏振3.真正4.原子自發(fā)輻射或參數(shù)下轉(zhuǎn)換5.相干；糾纏三、簡答題1.解析思路：回答不可克隆定理的內(nèi)容：任何不可逆的量子測量都不能精確復(fù)制一個未知的量子態(tài)。意義：保證了量子信息的獨特性，是QKD安全性的理論基礎(chǔ)，也限制了某些量子操作的實現(xiàn)。2.解析思路：回答QKD原理：利用單光子不可克隆性和測量塌縮特性，通過量子態(tài)傳輸和經(jīng)典信道比對，實現(xiàn)密鑰分發(fā)。安全性優(yōu)勢：任何竊聽行為都會不可避免地改變量子態(tài)，從而被合法用戶檢測到。3.解析思路：回答壓縮態(tài)定義：光子場的某對正交分量（如幅值）的不確定性關(guān)系被壓縮到標(biāo)準(zhǔn)量子極限（海森堡極限）以下的狀態(tài)。應(yīng)用：可用于提高測量精度（如量子成像、傳感）、增強(qiáng)量子通信（如QKD）。4.解析思路：回答區(qū)別：經(jīng)典傳輸直接傳輸信息載體（如比特），量子傳輸傳輸?shù)氖橇孔討B(tài)信息，需要利用一個經(jīng)典信道和一個共享的糾纏資源。量子傳輸可以實現(xiàn)超距關(guān)聯(lián)，且傳輸?shù)氖歉怕史刃畔?。四、計算題1.解析思路：計算最大密鑰率需要知道設(shè)備錯誤率P_e與密鑰率R的關(guān)系。對于基于貝爾不等式測試的協(xié)議（如E91），P_e≈sin2(θ/2)，其中θ是測量角度差。當(dāng)θ=π/2時，P_e最大為1/2。密鑰率R與P_e的關(guān)系通常為R≈1/(2*P_e*log?(2))。將P_e=1/2代入，得到R=1bit/s。注意題目給的條件（90%效率，1%誤碼率）在理想估算中未直接使用，但暗示了這是一個基礎(chǔ)模型計算。2.解析思路：利用態(tài)的分解。如果測量結(jié)果為|00?，則根據(jù)態(tài)|Φ??=(|00?+|11?)/√2，光子1和光子2必然都處于|0?狀態(tài)。如果測量結(jié)果為|11?，則光子1和光子2必然都處于|1?狀態(tài)。這是因為測量結(jié)果決定了整個系統(tǒng)的波函數(shù)坍縮。3.解析思路：泊松統(tǒng)計的光子數(shù)分布：平均光子數(shù)?N?=n，光子數(shù)方差ΔN2=n。壓縮態(tài)處于最小糾纏態(tài)時，假設(shè)為處于零點態(tài)，即光子數(shù)差Δ(N?-N?)2=0，單個光子態(tài)的光子數(shù)分布寬度小于泊松分布，具體為?N?*exp(-?N?)=n*exp(-n)。計算平均值和方差即可比較。五、論述題解析思路：論述要點應(yīng)包括：量子傳感利用量子系統(tǒng)的相干性、疊加和糾纏等特性，實現(xiàn)超越經(jīng)典極限的測量精度。具體可從以下幾個方面展開：*原理：經(jīng)典傳感器通常受限于噪聲（如熱噪聲、散粒噪聲）。量子傳感器利用量子比特（如NV色心、原子、量子點）與被測場（磁場、電場等）的相互作用，將場的擾動放大到量子比特的能級躍遷上。高精度源于量子相干性的敏感性，以及利用squeezedstates或entangledstates可以將測量噪聲轉(zhuǎn)移到其他自由度（如振動模式）或利用量子統(tǒng)計效應(yīng)（如量子關(guān)聯(lián)）進(jìn)行相干疊加/干涉，從而實現(xiàn)噪聲抑制。*優(yōu)勢：相比經(jīng)典傳感器，量子傳感器可能具有更高的靈敏度（能探測更弱的場）、更快的響應(yīng)速度（受限于量子馳豫時間）、更寬的頻譜范圍，