2025年大學《量子信息科學》專業(yè)題庫——量子信息科學在城市發(fā)展中的應用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡要解釋量子疊加態(tài)和量子糾纏，并分別說明這兩種特性在量子信息科學領(lǐng)域（例如量子計算、量子通信）至少各自一個潛在應用價值。二、量子密鑰分發(fā)（QKD）被認為是目前最安全的通信方式之一。請闡述其基本原理，并分析其在保障城市關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施（如智慧交通控制系統(tǒng)、政務數(shù)據(jù)網(wǎng)）安全方面的重要意義，同時指出其當前面臨的主要挑戰(zhàn)。三、量子傳感器因其高靈敏度、高精度等優(yōu)勢，在城市管理中展現(xiàn)出巨大潛力。請列舉至少三種不同類型的量子傳感器，并分別說明它們可以在城市管理中的哪些具體場景（例如環(huán)境監(jiān)測、基礎(chǔ)設(shè)施巡檢、公共安全）發(fā)揮作用。針對其中一種傳感器及其應用場景，簡述其工作原理和優(yōu)勢。四、量子計算在解決某些特定類型的問題上具有遠超經(jīng)典計算機的潛力。請以“優(yōu)化城市交通流量”或“模擬城市大氣污染物擴散”為例，說明量子計算可能如何幫助解決這些問題，闡述其基本思路，并討論當前實現(xiàn)這些應用面臨的主要技術(shù)障礙。五、設(shè)想一個未來智慧城市的場景，其中至少應用了量子通信、量子計算和量子傳感中的兩種技術(shù)。請詳細描述這個場景，說明每種技術(shù)在其中扮演的角色以及發(fā)揮作用的具體方式，并簡要分析該組合應用可能帶來的獨特價值。六、當前，將量子信息科學技術(shù)大規(guī)模應用于城市發(fā)展仍處于早期階段。請分析阻礙其廣泛部署的主要因素（技術(shù)成熟度、成本效益、法規(guī)標準、人才隊伍等），并針對其中一兩個因素，提出可能的應對策略或發(fā)展建議。試卷答案一、*解析思路：要求學生分別定義量子疊加態(tài)和量子糾纏，并闡述其在量子信息科學中的應用價值。疊加態(tài)的核心是量子系統(tǒng)可以處于多個狀態(tài)的線性組合，這為量子并行計算提供了基礎(chǔ)（如量子算法的效率提升）。糾纏是兩個或多個量子粒子之間存在的特殊關(guān)聯(lián)，測量其中一個的狀態(tài)會瞬間影響另一個的狀態(tài)，這種特性對于實現(xiàn)量子密鑰分發(fā)（EPR盒或BB84協(xié)議）和量子隱形傳態(tài)至關(guān)重要，保證了信息傳遞的安全性和不可克隆性。學生需要清晰解釋這兩個基本概念，并能將其與具體應用場景（計算、通信）聯(lián)系起來。二、*解析思路：考察對QKD原理的理解及其在城市安全中的應用。QKD原理核心在于利用量子力學基本原理（如測不準原理、不可克隆定理）保證密鑰分發(fā)的安全性，任何竊聽行為都會被探測到。其在城市安全中的意義在于為關(guān)鍵信息（交通控制指令、政務數(shù)據(jù)）提供無法被破解的加密保障，防止信息泄露或篡改。挑戰(zhàn)部分需要學生認識到實際應用中的限制，如傳輸距離限制（目前）、成本較高、對環(huán)境噪聲敏感、需要與經(jīng)典通信系統(tǒng)結(jié)合等。學生需準確描述原理，并結(jié)合城市案例闡述重要性，并能指出現(xiàn)實挑戰(zhàn)。三、*解析思路：考察對不同類型量子傳感器的了解及其在城市管理中的應用場景。常見的量子傳感器類型可包括基于NV色心的磁/電場傳感器、原子干涉儀（用于慣性測量如重力/加速度）、量子點/超導電路等。應用場景需具體，如NV色心傳感器用于檢測城市管道泄漏（天然氣、水管）、環(huán)境中的重金屬或特定氣體；原子干涉儀用于高精度城市水準測量或?qū)Ш剑涣孔狱c傳感器用于環(huán)境光污染監(jiān)測等。針對某一傳感器，需要闡述其利用的量子效應（如自旋態(tài)調(diào)控、相位調(diào)制）及其帶來的高靈敏度、高精度優(yōu)勢。學生需要列舉多種傳感器并說明應用，并能對其中一種進行原理和優(yōu)勢的詳細闡述。四、*解析思路：考察對量子計算潛力及其在城市問題中應用潛力的理解。選擇交通流量優(yōu)化或大氣擴散模擬問題，學生應說明經(jīng)典計算方法在處理大規(guī)模、復雜、非線性的城市系統(tǒng)問題時遇到的困難（如計算時間過長）。量子計算的優(yōu)勢在于其量子并行性和特定算法（如Grover算法用于搜索，Shor算法用于分解，或量子退火用于優(yōu)化）可能加速求解這類問題。例如，利用量子優(yōu)化算法模擬整個城市的交通網(wǎng)絡(luò)，考慮多種約束條件，尋找最優(yōu)的信號燈配時方案或路徑規(guī)劃。同時，學生需要認識到挑戰(zhàn)，如當前量子計算機的規(guī)模、穩(wěn)定性、錯誤率限制，以及將實際問題轉(zhuǎn)化為可運行的量子算法的難度。五、*解析思路：考察學生的綜合應用能力和創(chuàng)造性思維。需要構(gòu)建一個具體的智慧城市應用場景，例如：城市應急響應系統(tǒng)。在此場景中，量子通信可用于在指揮中心與分散在不同地點（消防、醫(yī)療、警察）的單元之間建立無條件安全的通信鏈路，傳輸實時視頻、傳感器數(shù)據(jù)及指令；量子計算可用于實時整合分析來自全市的傳感器數(shù)據(jù)（交通、環(huán)境、結(jié)構(gòu)健康），模擬火災蔓延、人員疏散或事故影響范圍，并優(yōu)化應急資源（消防車、救護車、避難所）的調(diào)度方案；量子傳感器（如高精度慣性導航或環(huán)境監(jiān)測傳感器）用于提升應急響應單元的定位精度和環(huán)境感知能力。學生需要清晰描述場景，詳細說明每種技術(shù)的具體作用方式和相互配合關(guān)系，并分析其帶來的獨特價值，如更高的安全性、更快的響應速度、更優(yōu)的資源利用效率。六、*解析思路：考察學生對量子技術(shù)應用現(xiàn)實挑戰(zhàn)的認識和分析能力。主要阻礙因素應涵蓋技術(shù)、經(jīng)濟、社會、法規(guī)等多個層面。技術(shù)成熟度（量子硬件的穩(wěn)定性、可擴展性、錯誤率）、高昂的成本（設(shè)備、研發(fā)、維護）、缺乏成熟的標準化接口和協(xié)議、以及缺乏既懂量子技術(shù)又懂城市領(lǐng)域知識的復合型人才隊伍都是重要因素。針