2025年大學(xué)《量子信息科學(xué)》專業(yè)題庫——量子信息傳輸中的量子傳輸速率控制考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分）1.下列哪個物理量是量子信道的核心度量指標(biāo)？A.量子比特的錯誤率B.量子信道的帶寬C.量子存儲器的容量D.量子密鑰分發(fā)的安全性2.以下哪種量子糾錯碼能夠糾正單個量子比特的錯誤？A.穩(wěn)定子碼B.Shor碼C.surface碼D.三量子比特碼3.BB84量子密鑰分發(fā)協(xié)議中，Alice選擇基向量的方式是：A.隨機(jī)選擇B.預(yù)先約定C.由Bob指定D.由密鑰中心指定4.量子存儲器的存儲時間主要受到以下哪個因素的影響？A.量子比特的相干時間B.量子信道的傳輸距離C.量子糾錯碼的糾錯能力D.量子密鑰分發(fā)的密鑰速率5.量子信道容量是指：A.量子信道能夠傳輸?shù)淖畲笮畔⑺俾蔅.量子信道能夠傳輸?shù)淖畲罅孔颖忍財?shù)C.量子信道能夠傳輸?shù)淖畲竽芰緿.量子信道能夠傳輸?shù)淖畲缶嚯x6.以下哪種技術(shù)可以有效提高量子傳輸速率？A.量子中繼器B.量子存儲器C.量子糾錯碼D.量子密鑰分發(fā)7.量子互信息是衡量以下哪個方面的重要指標(biāo)？A.量子信道的質(zhì)量B.量子比特的純度C.量子存儲器的效率D.量子密鑰分發(fā)的安全性8.穩(wěn)定子碼的編碼過程主要基于：A.量子態(tài)的疊加B.量子態(tài)的糾纏C.穩(wěn)定子運算D.量子測量9.量子傳輸速率控制的主要目標(biāo)是什么？A.提高量子傳輸?shù)目煽啃訠.提高量子傳輸?shù)男蔆.降低量子傳輸?shù)腻e誤率D.降低量子傳輸?shù)某杀?0.E91量子密鑰分發(fā)協(xié)議中，利用了量子力學(xué)哪個基本原理？A.量子疊加B.量子糾纏C.量子不確定性D.量子隧穿二、填空題（每題2分，共20分）1.量子信道的主要類型包括______信道和______信道。2.量子糾錯碼的基本原理是利用______來檢測和糾正量子比特的錯誤。3.量子密鑰分發(fā)的基本原理是利用量子力學(xué)的______來保證密鑰分發(fā)的安全性。4.量子存儲器的主要功能是______量子信息。5.量子傳輸速率控制的常用方法包括______和______。6.量子信道容量的計算公式為______。7.量子熵是衡量______的重要指標(biāo)。8.Shor碼是一種能夠糾正______錯誤的量子糾錯碼。9.量子中繼器的主要作用是______量子信號。10.量子信息傳輸中的主要挑戰(zhàn)包括______、______和______。三、計算題（每題5分，共20分）1.假設(shè)一個量子信道的熱力學(xué)當(dāng)量E為1J，信道效率η為0.8，計算該量子信道的最大信息傳輸速率。2.已知一個量子比特的錯誤率為10^-3，使用表面碼進(jìn)行糾錯，表面碼的糾錯能力為t=1，計算糾正后的量子比特錯誤率。3.假設(shè)使用BB84協(xié)議進(jìn)行量子密鑰分發(fā)，Alice和Bob分別測量了1000個量子比特，其中Alice使用隨機(jī)基向量的概率為50%，Bob使用相同基向量的概率也為50%，計算成功分發(fā)的密鑰比特數(shù)。4.已知一個量子存儲器的存儲時間為1秒，量子比特的相干時間為0.1秒，計算該量子存儲器的存儲效率。四、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述量子信道的特性及其對量子信息傳輸?shù)挠绊憽?.簡述量子糾錯碼的基本原理及其在量子信息傳輸中的作用。3.簡述量子密鑰分發(fā)的基本原理及其安全性優(yōu)勢。4.簡述量子傳輸速率控制的主要方法和挑戰(zhàn)。五、論述題（10分）論述量子中繼器在量子信息傳輸中的重要作用及其技術(shù)挑戰(zhàn)。試卷答案一、選擇題1.A2.D3.A4.A5.A6.A7.A8.C9.B10.B二、填空題1.級聯(lián)，退相干2.量子糾纏3.不可克隆定理4.存儲和提取5.調(diào)制速率控制，編碼方案選擇6.C=S(hlog(b))，其中C為信道容量，S為熵，h為玻爾茲曼常數(shù)，b為信道的基7.量子系統(tǒng)的不確定性8.雙量子比特9.在量子信道中傳輸量子信號10.量子信道的退相干，量子比特的錯誤率，量子存儲器的存儲時間三、計算題1.解析：根據(jù)香農(nóng)定理，信道容量C=Blog(1+S/N)，其中B為信道帶寬，S/N為信噪比。對于量子信道，可以使用熱力學(xué)當(dāng)量E和信道效率η來估算信道容量。信道容量的上限可以表示為C_max=ηE/k_BT，其中k_B為玻爾茲曼常數(shù)，T為信道溫度。在本題中，E=1J，η=0.8，k_B=1.38x10^-23J/K，假設(shè)室溫T=300K，則C_max=0.8*1J/(1.38x10^-23J/K*300K)≈1.98x10^20bit/s。因此，該量子信道的最大信息傳輸速率約為1.98x10^20bit/s。2.解析：表面碼是一種量子糾錯碼，可以糾正單個量子比特的錯誤。在本題中，量子比特的錯誤率為p=10^-3，表面碼的糾錯能力為t=1。表面碼的糾錯能力t表示它可以糾正t個量子比特的錯誤。因此，糾正后的量子比特錯誤率可以表示為p_corrected=p^(t+1)/(t+1)。在本題中，p_corrected=(10^-3)^(1+1)/(1+1)=10^-6/2=5x10^-7。因此，糾正后的量子比特錯誤率為5x10^-7。3.解析：BB84協(xié)議中，Alice和Bob分別隨機(jī)選擇基向量，并測量量子比特。成功分發(fā)的密鑰比特數(shù)取決于他們使用相同基向量的概率。在本題中，Alice和Bob使用隨機(jī)基向量的概率均為50%，因此他們使用相同基向量的概率也為50%。成功分發(fā)的密鑰比特數(shù)為1000*50%=500個比特。4.解析：量子存儲器的存儲效率可以表示為存儲時間與量子比特相干時間的比值。在本題中，存儲時間為1秒，量子比特的相干時間為0.1秒，因此存儲效率為1秒/0.1秒=10。因此，該量子存儲器的存儲效率為10。四、簡答題1.解析：量子信道是量子信息傳輸?shù)拿浇?，其特性包括噪聲、損耗和退相干等。這些特性會影響量子信息的傳輸質(zhì)量，例如增加量子比特的錯誤率，降低量子傳輸速率等。因此，需要研究量子信道的特性，并設(shè)計相應(yīng)的量子糾錯和速率控制方法，以提高量子信息傳輸?shù)目煽啃院托省?.解析：量子糾錯碼的基本原理是利用量子疊加和糾纏特性，將一個量子比特的信息編碼到多個量子比特中，從而實現(xiàn)錯誤檢測和糾正。量子糾錯碼可以在量子信道中傳輸量子信息，并有效地糾正量子比特的錯誤，提高量子信息傳輸?shù)目煽啃浴?.解析：量子密鑰分發(fā)的基本原理是利用量子力學(xué)的不可克隆定理，保證密鑰分發(fā)的安全性。量子密鑰分發(fā)協(xié)議允許兩個用戶在公共信道上安全地生成共享密鑰，而任何竊聽者都無法復(fù)制量子態(tài)，從而保證密鑰的安全性。4.解析：量子傳輸速率控制的主要方法包括調(diào)制速率控制和編碼方案選擇。調(diào)制速率控制通過調(diào)整量子信號的調(diào)制速率，來適應(yīng)量子信道的特性，提高量子傳輸速率。編碼方案選擇通過選擇合適的量子糾錯碼，來提高量子信息傳輸?shù)目煽啃?，從而提高量子傳輸速率。量子傳輸速率控制的挑?zhàn)包括量子信道的噪聲和退相干，以及量子糾錯碼的復(fù)雜性和開銷。五、論述題解析：量子中繼器是量子通信網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵設(shè)備，可以實現(xiàn)量子信息的遠(yuǎn)距離傳輸。量子中繼器的主要作用是克服量子信道的損耗和退相干，將量子信號從一個