2025年大學(xué)《量子信息科學(xué)》專業(yè)題庫——量子信息傳輸中的虛擬量子態(tài)技術(shù)考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題3分，共15分。請將正確選項(xiàng)的代表字母填入括號內(nèi)）1.在利用貝爾態(tài)進(jìn)行量子密鑰分發(fā)的E91協(xié)議中，Alice發(fā)送給Bob的虛擬量子態(tài)是基于哪兩個粒子的糾纏狀態(tài)？A.兩個處于相同本征態(tài)的粒子B.兩個處于不同本征態(tài)的粒子C.與第三個粒子的糾纏態(tài)D.獨(dú)立隨機(jī)制備的粒子對2.虛擬量子態(tài)在量子通信中的核心優(yōu)勢在于？A.可以無損耗地傳輸任意量子態(tài)B.能夠繞過某些物理限制，實(shí)現(xiàn)特定協(xié)議功能C.本身具有更高的量子比特密度D.自動提供無條件安全通信保障3.當(dāng)在量子密鑰分發(fā)協(xié)議中使用的虛擬量子態(tài)受到部分竊聽者干擾時，該干擾會以何種主要形式被檢測出來？A.導(dǎo)致通信速率顯著下降B.改變測量統(tǒng)計(jì)分布，產(chǎn)生可檢測的偏差C.引起粒子數(shù)丟失D.無法被現(xiàn)有協(xié)議檢測4.下列哪項(xiàng)技術(shù)與利用虛擬量子態(tài)實(shí)現(xiàn)量子信息傳輸無關(guān)？A.量子密鑰分發(fā)B.量子隱形傳態(tài)C.量子存儲D.基于糾纏的量子態(tài)估計(jì)5.虛擬量子態(tài)的“虛擬”一詞，主要是指其？A.物理制備成本極高B.并非由Alice直接制備發(fā)送，而是由特定測量設(shè)置定義C.生存時間非常短暫D.量子相干性較差二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填入橫線上）6.虛擬量子態(tài)通常與________緊密相關(guān)，其特性往往由________的測量結(jié)果和后續(xù)設(shè)置決定。7.在量子密鑰分發(fā)中，基于虛擬量子態(tài)的協(xié)議（如E91）通過比較________狀態(tài)的概率分布來檢測竊聽。8.為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程量子隱形傳態(tài)，通常需要借助一個預(yù)先共享的________量子態(tài)和單光子或糾纏粒子作為________粒子。9.虛擬量子態(tài)的性能（如密鑰率）對所依賴的________的質(zhì)量（如糾纏度、純度）非常敏感。10.在某些連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)方案中，虛擬量子態(tài)可以體現(xiàn)在特定________變量（如光強(qiáng)）的概率分布上。三、簡答題（每題8分，共32分。請簡明扼要地回答下列問題）11.請簡要解釋什么是虛擬量子態(tài)，并說明它與本體態(tài)（OBS）有何根本區(qū)別。12.簡述在E91量子密鑰分發(fā)協(xié)議中，如何利用虛擬量子態(tài)來檢測竊聽行為的基本原理。13.為什么基于虛擬量子態(tài)的量子通信協(xié)議（如E91）有時被認(rèn)為能夠更好地抵抗某些特定類型的竊聽，而不僅僅是隨機(jī)竊聽？14.描述一下在利用虛擬量子態(tài)實(shí)現(xiàn)量子隱形傳態(tài)時，輔助粒子扮演的角色以及虛擬量子態(tài)在其中起的作用。四、論述題（每題12分，共24分。請圍繞下列主題展開論述）15.討論利用虛擬量子態(tài)技術(shù)實(shí)現(xiàn)量子密鑰分發(fā)的潛在優(yōu)勢（例如相對于早期基于本體態(tài)的BB84協(xié)議）以及可能面臨的主要挑戰(zhàn)或限制。16.結(jié)合量子測不準(zhǔn)原理，闡述為何利用虛擬量子態(tài)進(jìn)行某些量子信息處理任務(wù)（如特定QKD協(xié)議或量子態(tài)制備）可能具有獨(dú)特的優(yōu)勢或?qū)崿F(xiàn)上的便利性。試卷答案一、選擇題1.B2.B3.B4.C5.B二、填空題6.糾纏，測量7.非貝爾，貝爾8.糾纏，輔助9.糾纏，光源10.光強(qiáng)（或其他連續(xù)變量，如相位）三、簡答題11.答案：虛擬量子態(tài)是指在量子通信協(xié)議中，其特定量子態(tài)性質(zhì)并非在發(fā)送端（Alice）被直接物理制備，而是通過測量一個糾纏態(tài)后，根據(jù)測量結(jié)果和預(yù)設(shè)的規(guī)則來定義的量子態(tài)。例如，在E91協(xié)議中，Alice和Bob各自測量其粒子后，根據(jù)約定好的測量基和Alice的測量結(jié)果，共同確定一個虛擬的貝爾態(tài)。而本體態(tài)（OBS）是指物理上被直接制備并傳輸?shù)木哂刑囟孔討B(tài)的粒子。解析思路：考察對虛擬量子態(tài)和本體態(tài)基本定義的區(qū)分。關(guān)鍵在于理解虛擬態(tài)的“定義”源于后續(xù)測量和設(shè)置，而非直接制備。12.答案：E91協(xié)議利用虛擬量子態(tài)檢測竊聽的核心原理是基于貝爾不等式。協(xié)議中，Alice和Bob各自對其粒子進(jìn)行貝爾基測量，然后通過公共信道比較他們選擇的測量基是否相同以及部分測量結(jié)果。對于隨機(jī)竊聽者M(jìn)allory，其測量會破壞原始粒子對的貝爾態(tài)性質(zhì)。當(dāng)Alice和Bob比較結(jié)果時，由于Mallory的干擾，他們觀察到的符合貝爾不等式約束的概率將顯著偏離理論值（理想情況下為3/4）。這種統(tǒng)計(jì)上的偏差可以被高置信度地檢測出來，從而發(fā)現(xiàn)竊聽。解析思路：考察E91協(xié)議的核心檢測機(jī)制。關(guān)鍵在于將虛擬態(tài)（貝爾態(tài)）與貝爾不等式測試聯(lián)系起來，說明竊聽如何破壞貝爾態(tài)，以及如何通過統(tǒng)計(jì)偏差檢測出來。13.答案：基于虛擬量子態(tài)的協(xié)議（如E91）能更好地抵抗某些特定竊聽（如Mallory僅進(jìn)行測量而不插入竊聽設(shè)備，或插入設(shè)備但未能完美復(fù)制糾纏態(tài)），是因?yàn)槠錂z測機(jī)制直接關(guān)聯(lián)到原始粒子對的量子態(tài)特性（貝爾態(tài)）。如果Mallory未能正確復(fù)制或干擾了原始的糾纏態(tài)，Alice和Bob在后續(xù)比較測量結(jié)果時，會觀察到更強(qiáng)的貝爾不等式違反，從而更容易檢測到這種非理想的測量行為。相比之下，針對本體態(tài)的竊聽（如測量并存儲粒子，或插入特定濾波器）可能不會立即破壞協(xié)議中基于虛擬態(tài)的檢測條件。解析思路：考察虛擬態(tài)檢測機(jī)制對不同類型竊聽的敏感性。關(guān)鍵在于理解虛擬態(tài)的檢測依賴于原始糾纏態(tài)的完整性，以及不同竊聽行為對糾纏態(tài)的影響不同。14.答案：在量子隱形傳態(tài)中，輔助粒子（通常是預(yù)先共享的糾纏粒子對中的一個）扮演著傳遞量子態(tài)信息的“載體”或“媒介”的角色。虛擬量子態(tài)的作用體現(xiàn)在：Alice對她的粒子（待傳輸?shù)牧Ｗ樱┖洼o助粒子進(jìn)行聯(lián)合測量，這個測量的結(jié)果本身并不攜帶原始粒子的大部分信息，但根據(jù)量子力學(xué)原理，這個測量的結(jié)果加上Bob對其輔助粒子的后續(xù)測量，可以完美重構(gòu)出原始粒子的量子態(tài)。這個重構(gòu)過程依賴于預(yù)先共享的糾纏態(tài)以及Alice測量后發(fā)送給Bob的測量結(jié)果，這些共同構(gòu)成了一個“虛擬”的、依賴于協(xié)議執(zhí)行過程的態(tài)傳輸過程。解析思路：考察量子隱形傳態(tài)的基本流程和輔助粒子的作用。關(guān)鍵在于理解虛擬態(tài)在此過程中的體現(xiàn)是協(xié)議執(zhí)行（測量和信息傳遞）本身，而非一個預(yù)先存在的物理態(tài)。四、論述題15.答案：潛在優(yōu)勢：1）安全性更高：某些基于虛擬態(tài)的協(xié)議（如E91）能更有效地檢測出竊聽者的非理想操作，特別是針對無法完美復(fù)制糾纏或進(jìn)行隨機(jī)測量的竊聽者。2）可能繞過部分限制：理論上，利用連續(xù)變量或特定測量設(shè)置，虛擬態(tài)技術(shù)可能有助于緩解某些傳統(tǒng)QKD協(xié)議（如BB84）面臨的性能瓶頸，如距離限制或特定類型的噪聲干擾。主要挑戰(zhàn)或限制：1）依賴高質(zhì)量糾纏源：虛擬態(tài)的性能對共享糾纏的質(zhì)量（如糾纏度、純度）要求極高，制備高質(zhì)量、長距離傳輸?shù)募m纏源本身具有挑戰(zhàn)。2）系統(tǒng)復(fù)雜度：實(shí)現(xiàn)基于虛擬態(tài)的協(xié)議通常需要更復(fù)雜的測量設(shè)置和后處理計(jì)算。3）距離限制：即使有潛在優(yōu)勢，實(shí)際系統(tǒng)仍受限于光傳輸損耗和糾纏衰變，長距離傳輸仍是主要挑戰(zhàn)。解析思路：要求全面分析優(yōu)勢和劣勢。優(yōu)勢方面?zhèn)戎匕踩院屠碚撔阅軡摿?；劣勢方面?zhèn)戎貙?shí)際實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵瓶頸，如糾纏資源、系統(tǒng)復(fù)雜度和距離限制。16.答案：利用虛擬量子態(tài)進(jìn)行量子信息處理的一個關(guān)鍵優(yōu)勢源于其與測量的緊密聯(lián)系。虛擬態(tài)的性質(zhì)往往是在測量之后根據(jù)約定定義的。根據(jù)量子測不準(zhǔn)原理，某些物理量的測量不確定性是固有的。例如，在連續(xù)變量QKD中，對光強(qiáng)（正則變量）的測量會引入對其共軛變量（如相位）的測量擾動，反之亦然。利用虛擬態(tài)，可以在協(xié)議設(shè)計(jì)層面巧妙地利用這種不確定性關(guān)系。例如，通過測量一個變量的部分信息來定義虛擬態(tài)，可以間接獲得對另一個變量信息的影響，或者將協(xié)議的安全性建立在特定的不確定性分布上。這使得某些基于虛擬態(tài)的技術(shù)能