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)在安全防護(hù)中的準(zhǔn)入控制考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)述量子比特與經(jīng)典比特在表示信息和狀態(tài)方面的主要區(qū)別。解釋這些區(qū)別如何使得量子計(jì)算在理論上具備超越經(jīng)典計(jì)算的能力。二、BB84量子密鑰分發(fā)協(xié)議是如何利用量子疊加和量子測(cè)量特性來(lái)保證密鑰分發(fā)的安全性的？請(qǐng)說(shuō)明其核心的安全原理。三、經(jīng)典密碼學(xué)中的RSA體制容易受到量子計(jì)算機(jī)的肖爾算法攻擊。請(qǐng)解釋肖爾算法為何能夠分解大整數(shù)，從而破解RSA加密。四、描述量子不可克隆定理的內(nèi)容及其在信息安全領(lǐng)域的意義。舉例說(shuō)明該定理如何限制某些類(lèi)型的攻擊。五、什么是量子隨機(jī)數(shù)生成器（QRNG）？與經(jīng)典隨機(jī)數(shù)生成器相比，QRNG具有哪些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)？這些優(yōu)勢(shì)如何應(yīng)用于需要高安全性的認(rèn)證場(chǎng)景？六、傳統(tǒng)的基于公鑰的認(rèn)證方法（如基于證書(shū)的認(rèn)證）在量子時(shí)代面臨哪些挑戰(zhàn)？請(qǐng)具體說(shuō)明。七、設(shè)想一個(gè)需要遠(yuǎn)程訪問(wèn)高安全級(jí)別服務(wù)器的場(chǎng)景。請(qǐng)簡(jiǎn)述如何利用量子密鑰分發(fā)（QKD）建立一個(gè)安全的準(zhǔn)入控制通道，并說(shuō)明在此過(guò)程中可能遇到的主要技術(shù)挑戰(zhàn)。八、比較基于屬性認(rèn)證（Attribute-BasedAccessControl,ABAC）和基于角色的認(rèn)證（Role-BasedAccessControl,RBAC）模型。在引入量子認(rèn)證技術(shù)后，這兩種模型如何可能被增強(qiáng)或修改以適應(yīng)量子安全環(huán)境下的準(zhǔn)入控制需求？九、討論量子準(zhǔn)入控制技術(shù)（如基于QKD的認(rèn)證）在未來(lái)可能面臨的倫理和社會(huì)問(wèn)題，例如成本、部署復(fù)雜性、以及對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的兼容性問(wèn)題。試卷答案一、答案：量子比特（Qubit）可以處于0和1的疊加態(tài)，即α|0?+β|1?，其中α和β是復(fù)數(shù)，|α|2+|β|2=1。而經(jīng)典比特只能處于0或1的狀態(tài)。這種疊加特性使得量子計(jì)算機(jī)能夠并行處理大量可能性，利用量子糾纏可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)超經(jīng)典系統(tǒng)的計(jì)算效率和通信能力。解析思路：回答需要明確指出量子比特的核心特性是疊加態(tài)，與經(jīng)典比特的確定性狀態(tài)（0或1）形成對(duì)比。并解釋疊加態(tài)帶來(lái)的并行處理能力和糾纏帶來(lái)的超越經(jīng)典系統(tǒng)性能的可能性。二、答案：BB84協(xié)議利用量子疊加態(tài)，發(fā)送方（Alice）隨機(jī)選擇基（{|0?,|1?}或{|+?,|-?）編碼量子比特并發(fā)送；接收方（Bob）隨機(jī)選擇基進(jìn)行測(cè)量。由于測(cè)量會(huì)塌縮疊加態(tài)，Bob無(wú)法獲得確切信息。雙方事后公開(kāi)各自選擇的基，僅對(duì)相同基測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，丟棄不同基的結(jié)果，剩余的比特序列即為共享的隨機(jī)密鑰。其核心安全原理基于量子測(cè)量擾動(dòng)定理：任何竊聽(tīng)者（Eve）的測(cè)量都會(huì)不可避免地干擾量子態(tài)，從而暴露其存在或破壞密鑰的隨機(jī)性，使其無(wú)法復(fù)制信息或預(yù)測(cè)密鑰。解析思路：回答需包含Alice的編碼方式、Bob的測(cè)量方式、密鑰建立過(guò)程。重點(diǎn)解釋安全原理，即量子測(cè)量的不可克隆性和對(duì)測(cè)量過(guò)程的擾動(dòng)效應(yīng)，這是QKD安全性的根本保證。三、答案：肖爾算法利用量子計(jì)算機(jī)的并行計(jì)算能力，通過(guò)模擬量子傅里葉變換來(lái)高效地求解離散對(duì)數(shù)問(wèn)題。RSA加密依賴于大整數(shù)n（通常是兩個(gè)大質(zhì)數(shù)p和q的乘積）的分解難度。肖爾算法可以高效地找到p和q，從而計(jì)算出私鑰d，進(jìn)而解密任何用公鑰n和e加密的信息。量子計(jì)算機(jī)的這種能力使得目前認(rèn)為安全的RSA密鑰長(zhǎng)度在量子時(shí)代可能不再安全。解析思路：回答需說(shuō)明肖爾算法的核心是解決離散對(duì)數(shù)問(wèn)題。解釋RSA的加密原理依賴于大數(shù)分解的困難性。明確指出肖爾算法如何通過(guò)量子計(jì)算解決離散對(duì)數(shù)問(wèn)題，從而能夠分解RSA所使用的大整數(shù)n，最終破解RSA加密。四、答案：量子不可克隆定理指出，任何關(guān)于未知量子態(tài)的測(cè)量都無(wú)法復(fù)制該量子態(tài)本身，即不存在一個(gè)量子操作U，使得U(|ψ?|φ?)=|ψ?|ψ?，其中|ψ?是待復(fù)制的量子態(tài)，|φ?是輔助量子態(tài)。該定理的意義在于，它保證了量子信息的獨(dú)特性和安全性。例如，它使得任何試圖竊聽(tīng)或復(fù)制通過(guò)量子信道傳輸?shù)拿荑€（如QKD中傳輸?shù)牧孔討B(tài)）都會(huì)被立即察覺(jué)，因?yàn)槿魏螠y(cè)量行為都會(huì)改變?cè)剂孔討B(tài)，留下可檢測(cè)的痕跡。解析思路：回答需準(zhǔn)確復(fù)述量子不可克隆定理的內(nèi)容（特別是數(shù)學(xué)表述的意圖）。重點(diǎn)分析該定理在信息安全中的意義，即任何竊聽(tīng)行為都會(huì)干擾信息，留下痕跡，從而保證了基于量子態(tài)傳輸?shù)陌踩珔f(xié)議（如QKD）的安全性。五、答案：量子隨機(jī)數(shù)生成器（QRNG）利用量子力學(xué)原理（如量子疊加、退相干或真隨機(jī)事件）來(lái)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，其輸出序列在統(tǒng)計(jì)上具有真正的隨機(jī)性，難以被預(yù)測(cè)。與經(jīng)典隨機(jī)數(shù)生成器（無(wú)論是偽隨機(jī)數(shù)生成器PRNG還是真隨機(jī)數(shù)生成器TRNG，后者通?；谖锢碓肼暎┫啾?，QRNG的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在于其隨機(jī)性來(lái)源于物理定律，具有不可預(yù)測(cè)性。這些高安全性的隨機(jī)數(shù)可用于生成一次性密碼本（OTP）用于加密通信，或作為認(rèn)證協(xié)議中的挑戰(zhàn)向量、令牌等，極大地增強(qiáng)了認(rèn)證過(guò)程的安全性，抵抗側(cè)信道攻擊和重放攻擊。解析思路：回答需定義QRNG及其工作原理依據(jù)（量子力學(xué)）。比較QRNG與經(jīng)典PRNG和TRNG（后者可能仍有側(cè)信道問(wèn)題），突出QRNG隨機(jī)性源于物理基礎(chǔ)、具有真正不可預(yù)測(cè)性的優(yōu)勢(shì)。并舉例說(shuō)明這些隨機(jī)數(shù)在認(rèn)證場(chǎng)景中的應(yīng)用及其帶來(lái)的安全提升。六、答案：傳統(tǒng)的基于公鑰的認(rèn)證方法（如X.509證書(shū)體系）依賴于公鑰的發(fā)布和驗(yàn)證。在量子時(shí)代，強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)（如使用肖爾算法的）可以輕易破解RSA、ECC等目前廣泛使用的公鑰算法，使得公鑰失去機(jī)密性，進(jìn)而使得基于公鑰的認(rèn)證信息（如證書(shū)、簽名）被偽造或篡改的風(fēng)險(xiǎn)劇增。同時(shí)，量子密鑰分發(fā)（QKD）的不可靠性（如距離限制、易受側(cè)信道攻擊）也可能導(dǎo)致安全信道建立失敗，影響認(rèn)證過(guò)程。解析思路：回答需指出傳統(tǒng)公鑰認(rèn)證依賴于公鑰體系。分析量子計(jì)算機(jī)的威脅主要在于破解現(xiàn)有公鑰算法（如RSA、ECC），使公鑰信息泄露。同時(shí)，提及QKD在當(dāng)前技術(shù)下的局限性也可能影響認(rèn)證過(guò)程的安全性或可行性。七、答案：利用QKD建立安全準(zhǔn)入控制通道的步驟如下：1.Alice和Bob（或服務(wù)器）通過(guò)QKD協(xié)議協(xié)商一個(gè)共享的、安全的隨機(jī)密鑰K。2.Alice需要訪問(wèn)服務(wù)器時(shí)，她使用K生成一個(gè)基于該密鑰的一次性密碼（如OTP）或挑戰(zhàn)/響應(yīng)令牌。3.Alice將這個(gè)一次性密碼或令牌通過(guò)經(jīng)典信道發(fā)送給服務(wù)器。4.服務(wù)器使用預(yù)先共享的、通過(guò)QKD建立的相同密鑰K驗(yàn)證該密碼或令牌的有效性。如果驗(yàn)證通過(guò)，服務(wù)器授予Alice訪問(wèn)權(quán)限?？赡苡龅降闹饕夹g(shù)挑戰(zhàn)包括QKD系統(tǒng)本身的成本高昂、傳輸距離受限（需要中繼器）、易受側(cè)信道攻擊（如對(duì)光信號(hào)的測(cè)量）、對(duì)環(huán)境噪聲的敏感性以及將QKD與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)證系統(tǒng)集成的問(wèn)題。解析思路：回答需描述一個(gè)完整的基于QKD的認(rèn)證流程，強(qiáng)調(diào)使用QKD建立的密鑰K在認(rèn)證過(guò)程中的核心作用。重點(diǎn)列出并解釋當(dāng)前QKD技術(shù)在實(shí)現(xiàn)安全準(zhǔn)入控制時(shí)面臨的主要技術(shù)障礙。八、答案：ABAC模型基于用戶屬性（如角色、部門(mén)、權(quán)限級(jí)別）、資源屬性和環(huán)境條件動(dòng)態(tài)決定訪問(wèn)權(quán)限，具有高度靈活性和精細(xì)粒度。RBAC模型基于預(yù)定義的角色和用戶角色分配來(lái)控制訪問(wèn)。引入量子認(rèn)證技術(shù)后，兩種模型都可以被增強(qiáng)。例如，可以使用基于QKD生成的安全密鑰來(lái)動(dòng)態(tài)生成或驗(yàn)證用戶的屬性證明，或者用于加密存儲(chǔ)用戶的屬性信息，提高屬性認(rèn)證的安全性。ABAC模型可以利用量子安全的隨機(jī)數(shù)生成器生成動(dòng)態(tài)挑戰(zhàn)，增加認(rèn)證的復(fù)雜性。兩者都可能需要與QKD網(wǎng)絡(luò)集成，以建立安全的基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)支持屬性的驗(yàn)證和決策過(guò)程。解析思路：回答需先簡(jiǎn)要對(duì)比ABAC和RBAC的核心思想。然后分別說(shuō)明量子認(rèn)證技術(shù)（如QKD、QRNG）如何可以用來(lái)增強(qiáng)這兩種模型的安全性，例如用于密鑰協(xié)商、屬性信息的加密、動(dòng)態(tài)挑戰(zhàn)的生成等。強(qiáng)調(diào)量子技術(shù)可以與現(xiàn)有模型結(jié)合，提升其安全性和適應(yīng)性。九、答案：量子準(zhǔn)入控制技術(shù)面臨的倫理和社會(huì)問(wèn)題包括：1.成本與可及性：QKD設(shè)備目前價(jià)格昂貴，導(dǎo)致只有大型機(jī)構(gòu)或高安全需求部門(mén)才能負(fù)擔(dān)，可能加劇數(shù)字鴻溝和安全不平等。2.部署復(fù)雜性：QKD系統(tǒng)對(duì)環(huán)境要求苛刻，部署和維護(hù)需要專業(yè)知識(shí)，難以大規(guī)?？焖偌傻浆F(xiàn)有復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中。3.標(biāo)準(zhǔn)化與互操作性：缺乏統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，不同廠商設(shè)備可能存在兼容性問(wèn)題，影