2025年大學(xué)《量子信息科學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——量子信息科學(xué)與材料科學(xué)的交叉研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填入括號(hào)內(nèi)，每題2分，共20分）1.量子信息科學(xué)區(qū)別于經(jīng)典信息科學(xué)的最基本特征是（）。A.信息處理速度更快B.能夠存儲(chǔ)更多信息C.利用量子疊加和糾纏進(jìn)行信息處理D.依賴更先進(jìn)的硬件設(shè)備2.以下哪種材料是目前實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)量子比特的主流選擇之一？（）A.硅（Si）B.石墨烯（Graphene）C.鋁（Al）超導(dǎo)薄膜D.鈦酸鋇（BaTiO?）3.在量子點(diǎn)中，限制電子運(yùn)動(dòng)主要依靠的是（）。A.外加電場(chǎng)B.材料的化學(xué)鍵C.能帶結(jié)構(gòu)D.核磁共振效應(yīng)4.量子密鑰分發(fā)（QKD）協(xié)議通常利用單光子的哪種特性來實(shí)現(xiàn)安全通信？（）A.衍射B.偏振C.波粒二象性D.多普勒效應(yīng)5.拓?fù)洳牧显诹孔佑?jì)算中的潛在優(yōu)勢(shì)主要在于其態(tài)具有（）。A.長(zhǎng)相干時(shí)間B.高遷移率C.對(duì)局部擾動(dòng)不敏感（拓?fù)浔Ｗo(hù)）D.高載流子密度6.以下哪項(xiàng)技術(shù)是制備高質(zhì)量量子點(diǎn)的重要手段？（）A.光刻技術(shù)B.分子束外延（MBE）C.等離子體刻蝕D.濺射沉積7.量子傳感器的靈敏度通常遠(yuǎn)高于經(jīng)典傳感器，這主要得益于量子體系對(duì)（）的極端敏感性。A.溫度變化B.電磁場(chǎng)干擾C.拓?fù)淙毕軩.環(huán)境噪聲8.實(shí)現(xiàn)“量子隱形傳態(tài)”需要利用量子力學(xué)的（）。A.波粒二象性B.選擇性透明C.量子糾纏D.量子隧穿9.用于制備單光子源的材料，對(duì)其產(chǎn)生的單光子（）有嚴(yán)格要求。A.波長(zhǎng)B.強(qiáng)度C.時(shí)間特性（如時(shí)間抖動(dòng)?。〥.功率10.以下哪項(xiàng)不是目前量子計(jì)算面臨的主要挑戰(zhàn)？（）A.量子比特的相干時(shí)間短B.量子糾錯(cuò)技術(shù)的復(fù)雜性C.量子器件的可擴(kuò)展性差D.量子信息的存儲(chǔ)密度低二、填空題（請(qǐng)將答案填入橫線上，每空2分，共20分）1.量子比特（Qubit）可以處于0和1的_______狀態(tài)，也可以處于兩者的_______狀態(tài)。2.超導(dǎo)量子比特（SQC）利用了超導(dǎo)材料在_______附近的特殊電子態(tài)來實(shí)現(xiàn)量子比特。3.量子點(diǎn)作為光源時(shí)，其尺寸大小決定了發(fā)射光子的_______。4.評(píng)價(jià)一種材料是否適合用于量子信息器件，需要考慮其_______、_______、_______等多個(gè)方面。5.量子通信與經(jīng)典通信的根本區(qū)別在于利用了量子力學(xué)原理，例如_______效應(yīng)保障了密鑰分發(fā)的安全性。6.拓?fù)洳牧系摹巴負(fù)浔Ｗo(hù)”特性來源于其能帶結(jié)構(gòu)的_______，使得低能態(tài)具有保護(hù)。7.制備高質(zhì)量的二維材料，如石墨烯，通常采用_______法。8.量子傳感器的靈敏度與被測(cè)量的物理量之間往往呈現(xiàn)_______關(guān)系。9.量子算法利用量子比特的_______和_______特性，有望在特定問題上超越經(jīng)典算法。10.量子信息科學(xué)與材料科學(xué)的交叉融合，推動(dòng)了新材料的設(shè)計(jì)與發(fā)現(xiàn)，例如用于_______的拓?fù)洳牧?。三、?jiǎn)答題（請(qǐng)簡(jiǎn)潔明了地回答下列問題，每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述量子疊加態(tài)在量子信息處理中的意義。2.解釋量子比特（Qubit）與經(jīng)典比特（Bit）在信息存儲(chǔ)能力上的根本區(qū)別。3.闡述超導(dǎo)量子比特（SQC）實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的物理原理。4.說明材料缺陷對(duì)量子點(diǎn)性能可能產(chǎn)生的影響。四、論述題（請(qǐng)結(jié)合所學(xué)知識(shí)，深入分析和闡述下列問題，每題10分，共30分）1.論述二維材料在量子信息科學(xué)領(lǐng)域（如量子計(jì)算、量子傳感）的潛在應(yīng)用前景及面臨的挑戰(zhàn)。2.分析量子信息科學(xué)與材料科學(xué)交叉研究對(duì)推動(dòng)未來信息技術(shù)發(fā)展的重大意義。3.結(jié)合具體實(shí)例，論述在量子信息器件中，材料選擇對(duì)其性能（如相干時(shí)間、操作速度、穩(wěn)定性等）的關(guān)鍵作用。試卷答案一、選擇題1.C2.C3.C4.C5.C6.B7.B8.C9.C10.D二、填空題1.線性疊加，糾纏2.低溫，庫(kù)珀對(duì)3.能譜（或波長(zhǎng)、顏色）4.純度，缺陷密度，相干時(shí)間5.量子不可克隆6.奇異性（或拓?fù)洳蛔兞浚?.機(jī)械剝離8.線性（或正比）9.疊加，糾纏10.量子計(jì)算（或量子傳感）三、簡(jiǎn)答題1.量子疊加態(tài)允許量子比特同時(shí)處于0和1的多種狀態(tài)組合，這使得一個(gè)量子系統(tǒng)可以并行處理大量信息，是實(shí)現(xiàn)量子并行計(jì)算和增強(qiáng)計(jì)算能力的基礎(chǔ)。2.經(jīng)典比特只能處于0或1其中一種確定狀態(tài)，存儲(chǔ)1比特信息。量子比特（Qubit）可以處于0和1的疊加態(tài)，還可以處于兩者糾纏的狀態(tài)，一個(gè)Qubit可以同時(shí)表示0和1，理論上1個(gè)Qubit可以存儲(chǔ)log?2=2比特信息，N個(gè)Qubit可以存儲(chǔ)2?比特信息，信息存儲(chǔ)能力呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。3.超導(dǎo)量子比特利用超導(dǎo)材料在極低溫下（接近絕對(duì)零度）形成的宏觀量子態(tài)——庫(kù)珀對(duì)，通過調(diào)控超導(dǎo)電路中的電磁場(chǎng)、電流等來改變庫(kù)珀對(duì)的相位，模擬量子比特的0和1狀態(tài)以及量子門操作。其量子態(tài)的相干時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，是目前實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展量子計(jì)算的重要平臺(tái)之一。4.材料缺陷可以提供額外的能級(jí)，影響量子點(diǎn)的能譜和光物理性質(zhì)，可能成為退相干的主要來源，縮短量子比特的相干時(shí)間。但有時(shí)通過精確控制缺陷，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)量子態(tài)的特定操控，甚至用于制備具有特殊量子性質(zhì)的人工結(jié)構(gòu)。四、論述題1.潛在應(yīng)用前景：二維材料具有優(yōu)異的電子學(xué)、光學(xué)和機(jī)械特性，如高載流子遷移率、可調(diào)帶隙、優(yōu)異的量子限域效應(yīng)、易于制備異質(zhì)結(jié)和柔性器件等。在量子計(jì)算方面，可用于制備高性能單光子源、糾纏光子對(duì)，或探索二維材料中的谷電子、自旋電子等實(shí)現(xiàn)量子比特的可能性。在量子傳感方面，其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和表面態(tài)使其對(duì)電磁場(chǎng)、溫度、應(yīng)力等外界微擾極為敏感，可用于開發(fā)高靈敏度的量子傳感器件。面臨的挑戰(zhàn)：高質(zhì)量、大面積二維材料的制備與集成仍具挑戰(zhàn)；二維材料量子比特的制備、操控和讀出技術(shù)尚不成熟；環(huán)境退相干問題嚴(yán)重；器件的可擴(kuò)展性和穩(wěn)定性有待提高。2.量子信息科學(xué)與材料科學(xué)的交叉研究對(duì)推動(dòng)未來信息技術(shù)發(fā)展意義重大。首先，新材料的設(shè)計(jì)與發(fā)現(xiàn)是突破現(xiàn)有量子信息器件性能瓶頸的關(guān)鍵。例如，尋找具有更長(zhǎng)相干時(shí)間、更低操作能耗、更適合量子比特實(shí)現(xiàn)的材料體系。其次，材料科學(xué)的微納加工技術(shù)為制造復(fù)雜的量子信息器件結(jié)構(gòu)提供了基礎(chǔ)。再次，利用量子傳感材料可以開發(fā)出遠(yuǎn)超經(jīng)典儀器的靈敏度，應(yīng)用于基礎(chǔ)物理研究、精密測(cè)量、生物醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域。最后，該交叉領(lǐng)域的研究將促進(jìn)對(duì)物質(zhì)基本性質(zhì)的理解，可能催生全新的物理現(xiàn)象和信息技術(shù)革命，如基于拓?fù)洳牧系膄ault-tolerant量子計(jì)算。3.材料選擇對(duì)量子信息器件性能至關(guān)重要。以超導(dǎo)量子比特為例，超導(dǎo)材料（如鋁、鈮）的選擇決定了其工作溫度、能級(jí)間距和耦合強(qiáng)度，直接影響其相干時(shí)間和操作速度。量子點(diǎn)材料的種類（如GaAs、InAs）和尺寸決定了其量子限域效應(yīng)和能級(jí)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響其作為光源或傳感器的性能。用于量子密鑰分發(fā)的光源材料（如NV色心晶體）必須能產(chǎn)生高質(zhì)量的單光子，這依賴