2025年大學(xué)《量子信息科學(xué)》專業(yè)題庫——量子信息安全通信技術(shù)的有效性評估考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請將正確選項的首字母填入括號內(nèi)，每題2分，共20分）1.量子密鑰分發(fā)（QKD）的基本安全性源于（）。A.密鑰可以無限長B.量子不可克隆定理C.大數(shù)定理D.計算機無法破解2.在BB84協(xié)議中，密鑰的安全性依賴于對單量子比特進行（）種不同測量基的選擇。A.2B.3C.4D.53.量子直接通信（QSDC）相比于QKD的主要優(yōu)勢在于（）。A.可以傳輸任意長度的經(jīng)典信息B.可以同時實現(xiàn)通信和認證C.對設(shè)備的要求更低D.安全距離更遠4.衡量量子信道傳輸保真度最常用的指標(biāo)是（）。A.信道容量B.量子熵C.馮·諾依曼保真度D.量子態(tài)衰減率5.導(dǎo)致量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)安全距離受限的主要技術(shù)瓶頸之一是（）。A.單光子源功率不足B.量子態(tài)傳輸過程中的衰減C.竊聽者的計算能力D.密鑰協(xié)商效率低下6.以下哪種攻擊方法可以用來破解基于隨機性檢驗的QKD協(xié)議？（）A.偷聽攻擊B.相關(guān)攻擊C.基于完備性的攻擊D.側(cè)信道攻擊7.幾何保真度與馮·諾依曼保真度的關(guān)系是（）。A.幾何保真度總是大于馮·諾依曼保真度B.幾何保真度總是小于馮·諾依曼保真度C.兩者在純態(tài)情況下相等，在混合態(tài)情況下不等D.兩者定義無關(guān)8.量子安全直接通信利用的單量子比特傳輸方式，其主要優(yōu)勢在于（）。A.免去密鑰分發(fā)的需求B.對信道噪聲具有更強的抵抗能力C.可以實現(xiàn)超距傳態(tài)D.設(shè)備實現(xiàn)相對簡單9.在量子信道模型中，描述光子數(shù)在傳輸過程中減少的現(xiàn)象稱為（）。A.退相干B.散相C.衰減D.壓縮10.量子repeater技術(shù)的主要目標(biāo)是解決量子通信中（）的難題。A.密鑰生成B.安全認證C.長距離傳輸D.設(shè)備小型化二、填空題（請將答案填入橫線上，每空2分，共20分）1.量子密鑰分發(fā)協(xié)議BB84的名稱來源于其使用了______種不同的量子態(tài)和______種不同的測量基。2.量子不可克隆定理指出，任何對未知量子態(tài)的______復(fù)制都是不可能的，這是QKD安全性的理論基礎(chǔ)。3.評估量子通信系統(tǒng)有效性的關(guān)鍵指標(biāo)包括密鑰率、______、安全距離和錯誤率。4.量子安全直接通信（QSDC）通過測量單光子的______來傳遞信息，從而避免密鑰分發(fā)的需要。5.當(dāng)量子信道存在噪聲時，接收端需要通過______等技術(shù)來估計信道參數(shù)并進行糾錯。6.基于信息的完備性和隨機性是評估QKD協(xié)議理論安全性的兩個基本要素。7.實驗上驗證QKD系統(tǒng)安全性的常用方法包括比較實測錯誤率與理論錯誤率，以及進行______實驗。8.量子信道中，單光子通過一個理想偏振器后，其偏振態(tài)會發(fā)生______，這是偏振編碼的基礎(chǔ)。9.量子安全通信的未來發(fā)展面臨著諸多挑戰(zhàn)，如______、______以及如何與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)兼容等問題。10.與經(jīng)典密碼學(xué)相比，量子密碼學(xué)的最大特點是______，即任何竊聽行為都不可避免地會干擾量子態(tài)，從而被探測到。三、簡答題（請簡要回答下列問題，每題5分，共20分）1.簡述量子密鑰分發(fā)（QKD）的基本原理及其安全性優(yōu)勢。2.簡要說明影響量子密鑰分發(fā)（QKD）安全距離的主要因素有哪些。3.比較量子密鑰分發(fā)（QKD）和量子安全直接通信（QSDC）在實現(xiàn)方式和主要應(yīng)用上的區(qū)別。4.解釋什么是量子信道衰減，并簡述其對量子信息傳輸保真度的影響。四、計算與分析題（請按要求完成下列題目，共40分）1.（10分）設(shè)一個基于BB84協(xié)議的QKD系統(tǒng)，使用隨機選擇的基進行編碼和測量。假設(shè)量子態(tài)傳輸保真度為F=0.9，竊聽者Eve的測量錯誤率為p=0.1。請計算在理想情況下，該系統(tǒng)能夠抵抗的最大竊聽率ρ_max是多少？（提示：可參考相關(guān)安全證明中的公式或思路）2.（15分）考慮一個QKD系統(tǒng)，其安全距離為d=100km。假設(shè)光子在光纖中的衰減率為α=0.2dB/km。如果系統(tǒng)要求在接收端保持至少95%的單光子保真度，請計算該系統(tǒng)最多可以使用多長的單光子脈沖在傳輸？（假設(shè)單光子脈沖的衰減與傳輸距離成正比，且初始單光子保真度為接近100%）3.（15分）簡述評估一個實際的QKD實驗系統(tǒng)有效性的主要步驟和考慮因素。例如，如何確定系統(tǒng)的密鑰率？如何評估系統(tǒng)的抗干擾能力？在實際部署中，還需要考慮哪些額外的有效性問題？五、論述題（請就下列問題展開論述，不少于300字，20分）結(jié)合當(dāng)前量子信息科學(xué)的發(fā)展趨勢，探討量子安全通信技術(shù)在未來信息網(wǎng)絡(luò)中的潛在應(yīng)用場景及其面臨的主要挑戰(zhàn)。你認為當(dāng)前在推動量子安全通信從理論走向?qū)嶋H應(yīng)用方面，最需要突破的技術(shù)環(huán)節(jié)是什么？為什么？試卷答案一、選擇題1.B2.C3.B4.C5.B6.C7.C8.B9.C10.C二、填空題1.2,22.偷聽3.量子態(tài)傳輸保真度4.偏振態(tài)5.量子態(tài)估計與糾錯6.相關(guān)性7.偷聽8.轉(zhuǎn)化9.長距離傳輸，穩(wěn)定性與可靠性10.量子力學(xué)基本原理三、簡答題1.QKD利用量子力學(xué)原理（如不確定性原理、量子不可克隆定理）來保證密鑰分發(fā)的安全性。發(fā)送方和接收方通過共享一個量子態(tài)（如光子偏振態(tài)）來生成密鑰，任何竊聽者在不破壞量子態(tài)的情況下試圖測量或復(fù)制這些量子態(tài)都是不可能的，或者必然留下可被檢測到的痕跡，從而保證密鑰的安全性。其優(yōu)勢在于理論上的無條件安全性或信息論安全性。2.影響QKD安全距離的主要因素包括：量子信道衰減（光子數(shù)減少），導(dǎo)致接收光強減弱，保真度下降；信道噪聲（如散相、損耗波動），干擾量子態(tài)的傳輸；測量設(shè)備的性能限制（如探測效率、噪聲），影響錯誤率估計的準(zhǔn)確性；以及傳輸過程中可能存在的其他損耗和干擾。3.QKD通過經(jīng)典信道分發(fā)密鑰，再利用量子信道傳輸加密信息或進行安全認證。QSDC則直接利用量子信道（如單光子信道）進行信息傳輸和認證，無需單獨的密鑰分發(fā)階段。QKD應(yīng)用更成熟，可用于增強現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)；QSDC理論上可實現(xiàn)更直接的安全通信，但技術(shù)挑戰(zhàn)更大，目前主要還處于研究階段。4.量子信道衰減是指在量子信息傳輸過程中，由于信道特性（如介質(zhì)吸收、散射），導(dǎo)致攜帶信息的量子態(tài)（如光子）的幅度或能量減少的現(xiàn)象。衰減會降低量子態(tài)的保真度，使得接收端的量子態(tài)與發(fā)送端的原始量子態(tài)產(chǎn)生差異，從而影響信息的正確傳輸和測量的準(zhǔn)確性，最終降低通信系統(tǒng)的有效性。四、計算與分析題1.解析思路：根據(jù)QKD的安全證明，竊聽率ρ與傳輸保真度F、測量錯誤率p以及系統(tǒng)能抵抗的最大竊聽率ρ_max之間存在一定的函數(shù)關(guān)系（例如，對于某些基本協(xié)議，ρ不能超過某個閾值）。在本題中，給定F=0.9，p=0.1，需要找到ρ的最大可能值。一種常見的方法是利用保真度界或直接引用相關(guān)安全證明中的結(jié)論，即ρ_max≤F(1-p)。計算得到ρ_max≤0.9*(1-0.1)=0.9*0.9=0.81。因此，理想情況下該系統(tǒng)能夠抵抗的最大竊聽率ρ_max為0.81。答案：0.812.解析思路：首先明確單光子保真度F與傳輸距離d的關(guān)系。假設(shè)初始保真度為F_0（接近1），經(jīng)過距離d的傳輸后，保真度為F。根據(jù)衰減率α，可以建立F=F_0*exp(-α*d)。要求F≥0.95，代入α=0.2dB/km，將其轉(zhuǎn)換為線性衰減系數(shù)（例如，α≈0.2*ln(10)/10≈0.01818）。解不等式0.95≤F_0*exp(-0.01818*d)并求d的最大值。取對數(shù)可得d≤log(F_0/F)/α。為簡化，可近似認為初始保真度F_0=1，則d≤log(1/0.95)/0.01818≈0.0513/0.01818≈2.82km。注意題目中α的單位是dB/km，直接使用α進行計算得到的是衰減量，需要轉(zhuǎn)換為衰減系數(shù)。答案：約2.82km（注意：此計算基于簡化模型，實際中初始保真度不為1且衰減并非完全指數(shù)）3.解析思路：評估QKD實驗系統(tǒng)有效性需以下步驟：a.系統(tǒng)搭建與參數(shù)設(shè)置：明確協(xié)議、設(shè)備參數(shù)、傳輸信道。b.性能基準(zhǔn)測試：測量量子態(tài)傳輸保真度、誤碼率（BER）、密鑰生成速率。c.安全性評估：進行理論分析（如計算最大竊聽率），并進行實驗驗證（如模擬攻擊或?qū)嶋H檢測竊聽痕跡）。d.抗干擾能力評估：測試系統(tǒng)在噪聲或干擾環(huán)境下的性能穩(wěn)定性，如測量錯誤率上限。e.實際場景模擬：在模擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中測試部署性能。考慮因素包括信道質(zhì)量、設(shè)備損耗、環(huán)境噪聲、同步精度、后處理效率等。額外有效性問題有：成本效益、部署復(fù)雜度、與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)集成、實際運行維護等。五、論述題解析思路：首先闡述量子安全通信的基本原理及其在信息時代的重要性，特別是在網(wǎng)絡(luò)攻擊日益增多的背景下。然后列舉潛在應(yīng)用場景：a.政府和軍事通信：保障指揮、情報傳輸?shù)慕^對安全。b.金融行業(yè)：保護銀行交易、支付清算的安全。c.電信網(wǎng)絡(luò)：實現(xiàn)骨干網(wǎng)或城域網(wǎng)中的安全信令傳輸。d.醫(yī)療健康：保護患者隱私數(shù)據(jù)和遠程醫(yī)療會診的安全。e.企業(yè)級應(yīng)用：保障商業(yè)秘密和敏感數(shù)據(jù)傳輸。接著分析面臨的主要挑戰(zhàn)：a.技術(shù)成熟度與成本：QKD/QSDC系統(tǒng)成本高、穩(wěn)定性、距離有限，技術(shù)尚待成熟。b.與現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的兼容性：需要開發(fā)適配器或網(wǎng)關(guān)。c.標(biāo)準(zhǔn)化與法規(guī)：缺乏統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和法律框