2025年大學(xué)《量子信息科學(xué)》專業(yè)題庫——量子信息理論與實驗研究的交叉探索考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述量子疊加和量子糾纏的基本概念，并分別舉例說明它們在量子信息處理中的意義。二、解釋什么是量子邏輯門，列舉幾種重要的單量子比特量子邏輯門，并簡述其中一種門的理論定義及其可能的實驗實現(xiàn)方式。三、描述量子密鑰分發(fā)（QKD）的基本原理，并說明其中一個重要協(xié)議（如BB84）是如何利用量子力學(xué)特性實現(xiàn)安全密鑰分發(fā)的。請闡述理論原理與實驗實現(xiàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。四、量子算法被認(rèn)為是量子計算強大能力的來源。以Shor算法為例，簡述其解決大數(shù)分解問題的基本思想流程。分析該算法成功依賴于哪些關(guān)鍵的量子力學(xué)原理，并思考實現(xiàn)該算法在實驗上面臨的主要挑戰(zhàn)。五、量子態(tài)的精確制備和操控是量子信息處理的基礎(chǔ)。選擇兩種不同的物理體系（例如離子阱和超導(dǎo)量子比特），分別簡述在其中實現(xiàn)單量子比特初始化和單量子比特測量的基本原理和主要方法。比較這兩種方法在理論設(shè)計和實驗實踐上的異同點。六、量子糾錯是克服量子系統(tǒng)退相干噪聲、實現(xiàn)容錯量子計算的關(guān)鍵。簡述量子糾錯的基本思想（如表面碼或穩(wěn)定子碼的原理），并解釋一個量子糾錯碼是如何通過物理上實施一系列量子門操作，將一個邏輯量子比特的誤差傳遞到一個或多個保護(hù)量子比特上，從而實現(xiàn)錯誤檢測和糾正的。七、量子隱形傳態(tài)是量子信息科學(xué)中一個令人著迷的概念。描述量子隱形傳態(tài)的基本原理，說明它和經(jīng)典信息傳輸有何本質(zhì)區(qū)別。選擇一個具體的量子隱形傳態(tài)方案（如基于Bell態(tài)分發(fā)方案），簡述其理論步驟，并提及實現(xiàn)該方案在實驗上需要克服的技術(shù)難點。八、當(dāng)前量子計算硬件發(fā)展迅速，不同的物理體系各有優(yōu)劣。以固態(tài)量子比特（如超導(dǎo)量子比特）和光量子比特為例，分別概述其主要的物理原理、技術(shù)優(yōu)勢以及當(dāng)前在實現(xiàn)可擴展量子計算方面面臨的理論和實驗挑戰(zhàn)。討論這兩種體系在理論研究和實驗探索上的相互借鑒意義。九、量子網(wǎng)絡(luò)是構(gòu)建未來量子互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。簡述量子隱形傳態(tài)在構(gòu)建分布式量子計算系統(tǒng)或量子通信網(wǎng)絡(luò)中的潛在應(yīng)用。分析實現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)（例如，基于量子密鑰分發(fā)構(gòu)建的量子互聯(lián)網(wǎng)）在理論層面需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題，以及在實驗上需要克服的技術(shù)障礙。試卷答案一、解析思路：要求分別定義疊加和糾纏，并聯(lián)系到量子信息處理。疊加是量子比特處于多狀態(tài)的概率幅疊加，是量子并行計算的基礎(chǔ)；糾纏是量子比特間的一種特殊關(guān)聯(lián)，是量子信息處理的資源，可用于量子密鑰分發(fā)、量子計算等。二、解析思路：定義量子邏輯門是量子力學(xué)的算符在量子態(tài)空間上的作用。列舉常見門（Hadamard,Pauli,CNOT等）。選擇一個門（如Hadamard門），給出其在計算基下的矩陣表示（理論），并簡述一種實驗實現(xiàn)方法（如通過特定微波脈沖操控超導(dǎo)量子比特）。三、解析思路：描述QKD利用量子不可克隆定理和測量塌縮特性保證安全。以BB84為例，說明通過隨機選擇基進(jìn)行量子態(tài)發(fā)送和測量，測量結(jié)果本身帶有信息但無法被竊聽者精確復(fù)制。關(guān)鍵環(huán)節(jié)包括理論上的信息論安全性證明和實驗上實現(xiàn)量子態(tài)的制備、發(fā)送、單光子探測、以及雙方基于公共信道比較基的過程。四、解析思路：描述Shor算法分步：輸入N，找到a使gcd(a,N)=1，計算a^(N-1)/2modN，得到結(jié)果s，最終算出N的因子。依賴原理：量子傅里葉變換（QFT用于分解a^kmodN）、量子模冪運算。實驗挑戰(zhàn)：高精度量子態(tài)制備與操控、長量子鏈退相干抑制、高保真量子門操作、以及實現(xiàn)QFT所需的大量子比特數(shù)。五、解析思路：選擇兩種體系（如離子阱和超導(dǎo)）。離子阱：初始化常用激光冷卻和囚禁；測量常用激光探測離子光譜。超導(dǎo)：初始化常用脈沖磁場或微波脈沖；測量常用電荷探測或反射微波信號。比較：初始化/測量原理、所需設(shè)備、操控精度、擴展性、對環(huán)境噪聲的敏感性等方面的異同。六、解析思路：闡述量子糾錯思想：用多個物理量子比特編碼一個邏輯量子比特。解釋糾錯過程：通過測量保護(hù)量子比特，檢測錯誤；根據(jù)測量結(jié)果和編碼規(guī)則，應(yīng)用特定的量子糾錯門（如X或Z門），將錯誤轉(zhuǎn)移到隔離的輔助量子比特上，從而恢復(fù)邏輯量子比特的狀態(tài)。強調(diào)這是物理層面的量子門操作實現(xiàn)糾錯邏輯。七、解析思路：描述量子隱形傳態(tài)原理：利用單量子比特的未知狀態(tài)與一個糾纏態(tài)的其中一個量子比特混合，通過測量，將信息傳送到糾纏態(tài)的另一個量子比特上，接收方通過一個經(jīng)典通信比特的輔助即可重構(gòu)原始狀態(tài)。區(qū)別：量子隱形傳態(tài)傳輸?shù)氖橇孔討B(tài)本身（信息密度高），經(jīng)典傳輸傳輸?shù)氖切畔⒏北?。選擇Bell態(tài)方案：描述理論步驟（制備Bell態(tài)，測量發(fā)送端，經(jīng)典傳輸結(jié)果，接收端應(yīng)用補償門）。實驗難點：高糾纏態(tài)制備與保持、單量子比特精確測量、高保真量子門操作。八、解析思路：固態(tài)量子比特（如超導(dǎo)）：原理基于超導(dǎo)電路中的約瑟夫森結(jié)；優(yōu)勢：可擴展性強、集成度高；挑戰(zhàn)：退相干時間有限、對噪聲敏感。光量子比特：原理基于光子偏振或頻率；優(yōu)勢：傳輸速度快、inherently穩(wěn)定、易分布式；挑戰(zhàn)：單光子源/探測器技術(shù)難度大、邏輯門操作復(fù)雜。相互借鑒：超導(dǎo)體系可借鑒光子體系的穩(wěn)定性設(shè)計；光子體系可借鑒超導(dǎo)體系的集成制造工藝。九、解析思路：描述應(yīng)用：量子隱形傳態(tài)可用于連接分布式量子節(jié)點，實現(xiàn)