2025年大學(xué)《量子信息科學(xué)》專業(yè)題庫——量子信息處理技術(shù)在信息安全中的保障考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請(qǐng)將正確選項(xiàng)填入括號(hào)內(nèi)）1.量子力學(xué)中的不確定性原理表明，一個(gè)粒子的位置和動(dòng)量不可能同時(shí)被無限精確地測量，這直接威脅到哪種經(jīng)典密碼分析技術(shù)？A.空間密碼分析B.統(tǒng)計(jì)密碼分析C.語法密碼分析D.機(jī)器密碼分析2.Shor算法能夠高效求解大整數(shù)分解問題，從而對(duì)基于大數(shù)乘法難題的公鑰密碼體制（如RSA）構(gòu)成嚴(yán)重威脅。Shor算法的核心優(yōu)勢在于它運(yùn)行在什么系統(tǒng)上？A.傳統(tǒng)數(shù)字計(jì)算機(jī)B.光子計(jì)算機(jī)C.量子計(jì)算機(jī)D.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)3.Grover算法是一種量子算法，它不能從根本上破解對(duì)稱密碼，但能將其搜索效率提升多少？A.2倍B.3倍C.√2倍D.4倍4.BB84量子密鑰分發(fā)協(xié)議的安全性主要基于量子力學(xué)哪個(gè)基本原理？A.量子不可克隆定理B.波粒二象性C.量子隧穿效應(yīng)D.量子糾纏5.在量子密鑰分發(fā)過程中，如果攻擊者試圖竊聽密鑰，他必然不可避免地會(huì)干擾到量子態(tài)，從而被合法的發(fā)送方和接收方發(fā)現(xiàn)。這是基于量子力學(xué)中的哪個(gè)特性？A.量子測量塌縮B.量子疊加C.量子退相干D.量子不可克隆定理6.E91量子密鑰分發(fā)協(xié)議相比BB84協(xié)議，其主要改進(jìn)和優(yōu)勢在于？A.提高了密鑰生成速率B.增強(qiáng)了對(duì)側(cè)信道攻擊的抵抗能力C.利用貝爾不等式進(jìn)行安全性驗(yàn)證，理論上能抵抗更廣泛的攻擊D.降低了設(shè)備成本7.后量子密碼學(xué)（PQC）研究的核心目標(biāo)是開發(fā)出能夠抵抗什么威脅的密碼算法？A.網(wǎng)絡(luò)釣魚攻擊B.社會(huì)工程學(xué)攻擊C.量子計(jì)算機(jī)攻擊D.重放攻擊8.目前來看，量子密鑰分發(fā)（QKD）技術(shù)面臨的主要實(shí)際挑戰(zhàn)不包括？A.量子信道的傳輸距離限制B.量子探測器的效率問題C.QKD系統(tǒng)成本較高D.量子算法的通用性9.量子安全直接計(jì)算（QSDC）與量子密鑰分發(fā)（QKD）的主要區(qū)別在于？A.QSDC使用量子態(tài)傳輸信息，QKD不使用B.QSDC旨在利用量子計(jì)算機(jī)直接攻擊密碼，QKD旨在提供安全的密鑰分發(fā)C.QSDC基于量子不可克隆定理，QKD基于量子測量擾動(dòng)D.QSDC是理論上的，QKD是已商業(yè)化的10.下列哪項(xiàng)不是后量子密碼學(xué)（PQC）提出的密碼算法模型？A.基于格的密碼學(xué)B.基于哈希的密碼學(xué)C.基于編碼的密碼學(xué)D.基于對(duì)稱密鑰的密碼學(xué)二、填空題（請(qǐng)將答案填入橫線處）1.能夠以概率1測量一個(gè)處于純態(tài)的粒子，使其陷入某個(gè)特定測量基底的任一狀態(tài)，這是量子力學(xué)中______的體現(xiàn)，也是量子密鑰分發(fā)能夠檢測竊聽的基礎(chǔ)。2.Grover算法雖然不能破解對(duì)稱密碼的初始安全性，但能將其對(duì)密碼空間的全搜索效率提升約為______倍。3.現(xiàn)有的主流公鑰密碼體制如RSA、ECC等，大多基于某些數(shù)論難題的困難性，這些難題被認(rèn)為是______在可預(yù)見的未來難以解決的。4.BB84協(xié)議中，Alice和Bob通過隨機(jī)選擇兩種不同的量子態(tài)（如0和1態(tài)，以及|+>和|->態(tài)）及其對(duì)應(yīng)的測量基（如Z基和X基）來傳輸密鑰，攻擊者Eve若試圖竊聽，無法同時(shí)獲知這兩種信息，這是利用了量子態(tài)的______特性。5.后量子密碼學(xué)標(biāo)準(zhǔn)（如NIST的PQC項(xiàng)目）旨在確?，F(xiàn)有密碼算法在未來量子計(jì)算機(jī)的威脅下仍然保持______。三、簡答題1.簡述Shor算法對(duì)RSA密碼體制構(gòu)成威脅的基本原理。2.請(qǐng)簡述BB84量子密鑰分發(fā)協(xié)議的核心思想及其如何利用量子力學(xué)原理實(shí)現(xiàn)密鑰分發(fā)的安全性。3.簡要說明量子不可克隆定理為什么是量子密鑰分發(fā)能夠探測到竊聽行為的關(guān)鍵保障。四、論述題1.闡述量子信息處理技術(shù)（包括量子計(jì)算和量子通信）對(duì)當(dāng)前信息安全體系（特別是公鑰密碼和對(duì)稱密碼）帶來的主要威脅和挑戰(zhàn)。2.結(jié)合當(dāng)前發(fā)展?fàn)顩r，論述后量子密碼學(xué)（PQC）研究的主要方向、面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)以及其未來可能的應(yīng)用前景。---試卷答案一、選擇題1.B2.C3.C4.A5.A6.C7.C8.D9.B10.D二、填空題1.量子不可克隆定理2.√23.量子計(jì)算機(jī)4.不確定性（或疊加）5.安全性（或抗量子性）三、簡答題1.答案：Shor算法是一種能在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)分解大整數(shù)（如RSA中的n）的量子算法。RSA密碼體制的安全性基于大數(shù)分解的困難性。Shor算法利用量子傅里葉變換等操作，能夠高效地找到大數(shù)的質(zhì)因數(shù)。當(dāng)量子計(jì)算機(jī)足夠強(qiáng)大時(shí)，就能在很短的時(shí)間內(nèi)分解RSA所使用的公鑰n，進(jìn)而計(jì)算出私鑰d，從而破解RSA加密信息。因此，Shor算法對(duì)RSA構(gòu)成了根本性的威脅。解析思路：問題要求闡述Shor算法威脅RSA的基本原理。需要說明Shor算法的功能（分解大整數(shù)），明確RSA的安全性基礎(chǔ)（大數(shù)分解難），并點(diǎn)明兩者之間的直接聯(lián)系（Shor算法破解RSA）。2.答案：BB84協(xié)議的核心思想是通過在量子信道上傳輸由不同量子態(tài)（如0和1態(tài)，以及|+>和|->態(tài)）和不同測量基（Z基和X基）構(gòu)成的編碼信息，來實(shí)現(xiàn)密鑰的共享。Alice隨機(jī)選擇編碼基和量子態(tài)發(fā)送給Bob。Bob使用自己隨機(jī)選擇的相同測量基進(jìn)行測量。由于量子測量具有不確定性，Eve（竊聽者）無法在不破壞量子態(tài)的前提下復(fù)制或精確測量這些量子態(tài)，也無法確定Alice使用的測量基。只有當(dāng)Bob告知自己使用的測量基后，Alice和Bob才能通過經(jīng)典信道比較部分共享的基，并丟棄測量基不一致的部分。最終，他們僅剩下一份基于共同選擇基的、Eve無法獲取的隨機(jī)密鑰。協(xié)議的安全性源于Eve無法有效復(fù)制量子態(tài)以及無法確定測量基這一量子力學(xué)特性。解析思路：問題要求簡述BB84協(xié)議的核心思想和安全性原理。核心思想需涵蓋量子信道傳輸?shù)木幋a方式（態(tài)和基）、Alice和Bob的選擇與操作、以及經(jīng)典信道用于后處理。安全性原理需強(qiáng)調(diào)Eve面臨的量子力學(xué)限制（無法復(fù)制量子態(tài)、無法確定基），并說明這是如何保障密鑰隨機(jī)性和探測竊聽的基礎(chǔ)。3.答案：量子不可克隆定理指出，任何試圖復(fù)制一個(gè)未知量子態(tài)的操作，都無法在不破壞原始量子態(tài)的前提下，同時(shí)獲得原始態(tài)的精確復(fù)制。在QKD中，合法的通信雙方（Alice和Bob）使用量子態(tài)（如光子）傳輸密鑰。如果存在竊聽者Eve，她必須測量這些量子態(tài)以獲取密鑰信息。根據(jù)量子不可克隆定理，Eve在測量過程中必然會(huì)以一定的概率改變被測量子態(tài)的相干性或狀態(tài)。這種改變會(huì)引入可被Alice和Bob在后續(xù)經(jīng)典協(xié)議中檢測到的擾動(dòng)。例如，在BB84協(xié)議中，Eve的測量可能會(huì)破壞量子態(tài)的偏振特性，導(dǎo)致Bob測量得到的結(jié)果與Alice發(fā)送的原始態(tài)不一致。通過比較雙方部分共享的密鑰比特，Alice和Bob可以統(tǒng)計(jì)錯(cuò)誤率，若錯(cuò)誤率超出預(yù)設(shè)閾值，則表明存在竊聽。因此，量子不可克隆定理是QKD能夠通過測量擾動(dòng)來探測竊聽行為的關(guān)鍵物理基礎(chǔ)。解析思路：問題要求解釋量子不可克隆定理如何保障QKD的安全性。需要首先復(fù)述定理內(nèi)容，然后將其與QKD過程聯(lián)系起來（Eve必須測量導(dǎo)致復(fù)制失敗和狀態(tài)改變），并說明這種改變?nèi)绾伪缓戏p方檢測到（通過比較密鑰和統(tǒng)計(jì)錯(cuò)誤率），最終得出結(jié)論。四、論述題1.答案：量子信息處理技術(shù)對(duì)當(dāng)前信息安全體系構(gòu)成了嚴(yán)峻的威脅和挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：*對(duì)公鑰密碼體制的威脅：Shor算法能夠高效分解大整數(shù)，破解基于大數(shù)分解難題的公鑰密碼體制（如RSA、ECC），這些體制是當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)安全（SSL/TLS、數(shù)字簽名、證書等）的基石。一旦量子計(jì)算機(jī)發(fā)展到足夠強(qiáng)大的水平，現(xiàn)有公鑰體系將大規(guī)模失效。*對(duì)對(duì)稱密碼體制的加速攻擊：Grover算法能夠?qū)?duì)稱密碼（如AES）的搜索效率提升平方根倍。雖然不能完全破解對(duì)稱密碼，但在某些場景下，例如密碼保險(xiǎn)庫搜索、對(duì)稱密碼在特定協(xié)議中的應(yīng)用，Grover算法會(huì)顯著降低攻擊難度，縮短密鑰長度需求。*對(duì)安全協(xié)議的潛在破壞：量子攻擊可能影響依賴傳統(tǒng)密碼機(jī)制的安全協(xié)議，如零知識(shí)證明、安全多方計(jì)算等，需要重新設(shè)計(jì)和評(píng)估。*量子密鑰分發(fā)的挑戰(zhàn)：雖然QKD能提供理論上無條件安全的密鑰分發(fā)，但其面臨傳輸距離受限、成本高昂、易受側(cè)信道攻擊（如集成攻擊）等實(shí)際挑戰(zhàn)，大規(guī)模部署尚不現(xiàn)實(shí)。*整體安全體系的重構(gòu)壓力：量子信息的威脅迫使整個(gè)信息安全領(lǐng)域進(jìn)行深刻反思和轉(zhuǎn)型，需要研發(fā)抗量子密碼（PQC）、評(píng)估現(xiàn)有系統(tǒng)的抗量子能力、制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和政策，這將是一個(gè)長期而復(fù)雜的過程。解析思路：問題要求論述量子信息處理技術(shù)帶來的威脅和挑戰(zhàn)。應(yīng)從對(duì)現(xiàn)有兩大類密碼體制（公鑰和對(duì)稱）的直接攻擊（Shor和Grover算法）入手，擴(kuò)展到對(duì)安全協(xié)議和整體安全體系的影響，同時(shí)也要提及QKD面臨的實(shí)際挑戰(zhàn)。最后總結(jié)其帶來的系統(tǒng)性和長期性影響。2.答案：后量子密碼學(xué)（PQC）是當(dāng)前應(yīng)對(duì)量子計(jì)算威脅的關(guān)鍵研究方向，其主要方向、挑戰(zhàn)和前景如下：*主要研究方向：PQC研究致力于開發(fā)能夠在量子計(jì)算機(jī)面前保持安全性的密碼算法。主要基于以下幾個(gè)數(shù)學(xué)難題：基于格的難題（如格最短向量問題GLV）、基于編碼的難題（如MCSD）、基于哈希的難題（如SHACAL）、基于多變量多項(xiàng)式方程組的難題（如SIS）。NIST等機(jī)構(gòu)組織了PQC標(biāo)準(zhǔn)化競賽，篩選和評(píng)估了多種候選算法。*面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)：PQC算法普遍存在一些挑戰(zhàn)，包括：計(jì)算效率（加解密速度、密鑰長度）通常低于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)算法；密鑰存儲(chǔ)開銷較大；標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程緩慢，尚未完全確定最終標(biāo)準(zhǔn)；PQC算法的安全性理論證明仍需完善；需要開發(fā)兼容PQC的密碼協(xié)議和密碼硬件。*未來應(yīng)用前景：隨著量子計(jì)算技術(shù)的進(jìn)展，以及PQC標(biāo)準(zhǔn)化工作的推進(jìn)，PQC將在未來信息安全中扮演越來越重要的角色。預(yù)計(jì)將在以下領(lǐng)域逐步替代現(xiàn)有公鑰