2025年大學《量子信息科學》專業(yè)題庫——量子網(wǎng)絡中的節(jié)點通信機制考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述量子網(wǎng)絡與經(jīng)典網(wǎng)絡在信息處理和傳輸方面的主要區(qū)別。二、解釋量子比特（Qubit）的疊加特性及其在節(jié)點信息存儲和處理中的意義。三、什么是量子糾纏？請說明量子糾纏在量子通信，特別是節(jié)點間信息傳輸中的作用。四、BB84量子密鑰分發(fā)協(xié)議的基本原理是什么？它如何利用量子力學特性來保證密鑰分發(fā)的安全性？五、簡述量子隱形傳態(tài)的過程。需要哪些關鍵的量子資源？它與經(jīng)典信息復制有何本質(zhì)區(qū)別？六、量子中繼器在量子網(wǎng)絡中扮演什么角色？實現(xiàn)量子中繼器主要面臨哪些技術挑戰(zhàn)？七、量子節(jié)點需要具備哪些基本功能才能在量子網(wǎng)絡中有效通信？八、分析在量子信道中傳輸量子信息時，退相干和噪聲帶來的主要問題，以及節(jié)點層面可能采取的應對措施。九、比較量子路由與經(jīng)典路由在原理和實現(xiàn)上的主要差異。十、討論當前制約量子網(wǎng)絡節(jié)點通信能力提升的主要技術瓶頸，并指出可能的研究方向。試卷答案一、量子網(wǎng)絡使用量子比特（Qubit）作為信息載體，利用量子疊加和糾纏特性進行信息處理和傳輸。量子網(wǎng)絡可以實現(xiàn)經(jīng)典網(wǎng)絡無法實現(xiàn)的功能，如量子密鑰分發(fā)和量子隱形傳態(tài)。同時，量子信道也存在退相干和噪聲問題，其處理方式與經(jīng)典信道不同。二、量子比特可以同時處于0和1的疊加態(tài)。這種疊加特性使得一個量子比特能夠存儲比經(jīng)典比特更多的信息。在量子節(jié)點中，利用疊加態(tài)可以實現(xiàn)對量子信息的并行處理和存儲，提高節(jié)點的計算和信息處理能力。三、量子糾纏是指兩個或多個量子粒子之間存在的一種特殊關聯(lián)，即使它們相隔遙遠，測量其中一個粒子的狀態(tài)也會瞬間影響另一個粒子的狀態(tài)。在量子通信中，糾纏可用于實現(xiàn)量子隱形傳態(tài)，或構(gòu)建安全的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，因為任何對糾纏態(tài)的測量都會不可避免地引入干擾，從而被檢測到。四、BB84協(xié)議使用兩個不同的量子基（例如，基|0?和|1?，基|+?和|-?）來編碼量子比特。發(fā)送方隨機選擇基進行編碼和傳輸，接收方則隨機選擇基進行測量。通過后續(xù)的公開經(jīng)典通信比較雙方的測量基，可以篩選出共同使用的基上的測量結(jié)果，從而生成共享的密鑰。其安全性基于量子力學的基本原理，即測量會破壞量子態(tài)，任何竊聽行為都會留下痕跡。五、量子隱形傳態(tài)是將一個未知量子態(tài)從一個量子比特傳輸?shù)搅硪粋€量子比特的過程。這個過程需要兩個糾纏的量子比特（作為信道）和一個包含要傳輸狀態(tài)的量子比特。通過執(zhí)行一系列量子測量和在發(fā)送端和接收端進行相應的經(jīng)典通信，可以將原始量子態(tài)精確地傳輸?shù)竭h端的量子比特上。六、量子中繼器的作用類似于經(jīng)典網(wǎng)絡中的中繼站，用于延長量子信道的傳輸距離。它可以在量子信道中存儲和轉(zhuǎn)發(fā)量子態(tài)，同時盡量減少對量子態(tài)的破壞（退相干和噪聲）。主要挑戰(zhàn)包括實現(xiàn)長時間、高保真度的量子存儲，高效地建立和操控量子糾纏，以及在轉(zhuǎn)發(fā)過程中保持量子態(tài)的完整性和安全性。七、量子節(jié)點需要具備量子信息生成（如量子比特制備）、量子信息存儲（如量子存儲器）、量子信息處理（如量子門操作）和量子信息轉(zhuǎn)發(fā)（如量子路由）的基本功能。此外，還需要具備處理經(jīng)典信息的能力，用于控制量子操作和與其他節(jié)點進行通信。八、退相干是指量子態(tài)由于與環(huán)境的相互作用而失去其量子特性（如疊加和糾纏）的過程。噪聲則是指量子信道或操作中引入的隨機擾動，會改變量子態(tài)的概率幅。這些問題會降低量子信息傳輸?shù)谋Ｕ娑?，限制量子通信的距離和速率。節(jié)點層面可以采取的措施包括使用量子糾錯碼來保護量子信息，優(yōu)化量子信道設計來減少噪聲，以及開發(fā)對退相干不敏感的量子操作。九、經(jīng)典路由基于路由表和最短路徑算法，根據(jù)目的地址決定數(shù)據(jù)包的傳輸路徑。量子路由需要考慮量子態(tài)的特性，如測量會破壞量子態(tài)，以及糾纏的保護。量子路由協(xié)議需要確保在轉(zhuǎn)發(fā)量子信息時，盡可能保持量子態(tài)的完整性和相干性，可能需要使用量子測量或量子糾纏來輔助路由決策。十、主要技術瓶頸包括：量子信道的傳輸距離有限，受限于退相干和噪聲；量子中繼器的效率和技術成熟度有待提高；大規(guī)模、可擴展的量子網(wǎng)絡架構(gòu)設計復雜；量子節(jié)點的集成度和穩(wěn)