2025年大學(xué)《量子信息科學(xué)》專業(yè)題庫——量子信息科學(xué)在數(shù)據(jù)安全中的安全存儲考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述量子疊加和量子糾纏的基本概念，并解釋它們?yōu)楹伪徽J(rèn)為是實現(xiàn)量子信息科學(xué)在數(shù)據(jù)安全（特別是安全存儲和傳輸）中應(yīng)用的關(guān)鍵資源。二、量子密鑰分發(fā)（QKD）利用了哪些量子力學(xué)的基本原理來保證密鑰交換的安全性？請詳細(xì)說明基于糾纏的QKD協(xié)議（如E91）與經(jīng)典QKD協(xié)議（如BB84）在安全性基礎(chǔ)上的主要區(qū)別。三、量子存儲技術(shù)面臨哪些主要的挑戰(zhàn)？請選擇其中三個挑戰(zhàn)，分別闡述其含義及其對實現(xiàn)長期、可靠、大規(guī)模量子安全存儲構(gòu)成的威脅。四、描述量子安全直接通信（QSDC）的基本概念。它試圖解決傳統(tǒng)加密方式面臨的哪些主要問題？與僅依賴QKD進(jìn)行密鑰交換相比，QSDC有何優(yōu)勢？五、假設(shè)你正在設(shè)計一個基于量子存儲的安全數(shù)據(jù)備份方案。請闡述該方案的基本思想，包括如何利用量子存儲特性來增強數(shù)據(jù)備份的安全性，并討論該方案可能面臨的技術(shù)實現(xiàn)難點和安全風(fēng)險。六、量子計算的發(fā)展對現(xiàn)有的數(shù)據(jù)安全體系（例如，基于大數(shù)分解問題的RSA加密）構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。請分析量子計算能力提升后，現(xiàn)有加密方式可能被破解的原理，并探討在量子計算時代，除了QKD之外，還有哪些潛在的量子安全加密或認(rèn)證方法正在被研究。試卷答案一、答案：量子疊加是指量子系統(tǒng)可以同時處于多個狀態(tài)的一個線性組合。例如，一個量子比特可以同時是0和1的疊加態(tài)|ψ?=α|0?+β|1?，其中α和β是復(fù)數(shù)系數(shù)，滿足|α|2+|β|2=1。量子糾纏是指兩個或多個量子粒子之間存在一種特殊的關(guān)聯(lián)，即使它們相隔遙遠(yuǎn)，測量其中一個粒子的狀態(tài)會瞬間影響到另一個粒子的狀態(tài)，這種關(guān)聯(lián)不能被經(jīng)典物理所解釋。量子疊加和糾纏之所以是量子信息科學(xué)在數(shù)據(jù)安全中應(yīng)用的關(guān)鍵資源，是因為它們具有不可克隆性（量子力學(xué)基本定理）和測量塌縮的特性。利用這些特性，可以構(gòu)建出原則上無法被竊聽或復(fù)制的安全通信協(xié)議（如QKD），或者實現(xiàn)信息的高效傳輸和存儲，這些都為數(shù)據(jù)安全提供了全新的、基于物理原理的保護(hù)機制。解析思路：本題考查對量子力學(xué)基本概念的理解及其與量子安全應(yīng)用的關(guān)聯(lián)。首先需清晰定義量子疊加和量子糾纏。疊加強調(diào)量子態(tài)的線性組合和概率幅特性。糾纏強調(diào)多粒子系統(tǒng)間無法分離的關(guān)聯(lián)性及測量引起的瞬間影響。其次，核心在于解析為何這些特性與安全相關(guān)，重點在于提及“不可克隆性”和“測量塌縮”（或關(guān)聯(lián)性），并直接關(guān)聯(lián)到QKD等安全應(yīng)用的基本原理，說明這些特性構(gòu)成了物理層面的安全保障基礎(chǔ)。二、答案：QKD利用了量子力學(xué)的基本原理，主要是量子不可克隆定理和量子測量擾動原理。量子不可克隆定理指出，任何對未知量子態(tài)的復(fù)制嘗試都會不可避免地破壞原始量子態(tài)的信息，這使得第三方無法通過復(fù)制接收到的量子態(tài)來竊聽密鑰。量子測量擾動原理則指出，對處于疊加態(tài)的量子進(jìn)行測量會不可避免地改變該量子態(tài)。因此，如果在QKD過程中竊聽者試圖測量傳輸?shù)牧孔討B(tài)以獲取密鑰信息，其測量行為必然會干擾量子態(tài)，從而被合法的發(fā)送方和接收方通過后續(xù)的比對測量結(jié)果（如統(tǒng)計相關(guān)性檢驗）檢測出來?；诩m纏的QKD協(xié)議（如E91）與經(jīng)典QKD（如BB84）的主要區(qū)別在于，E91利用的是量子糾纏的特性。在E91協(xié)議中，發(fā)送方和接收方共享一對糾纏粒子，并通過測量各自粒子在不同貝爾基下的投影值來產(chǎn)生密鑰，并驗證糾纏的存在性。其安全性基于量子糾纏的不可復(fù)制性和測量對糾纏態(tài)的破壞，理論上可以抵抗包括量子計算機在內(nèi)的所有潛在攻擊，而不僅僅是經(jīng)典竊聽。BB84協(xié)議則依賴于單光子源和單光子探測器的安全性，其安全性證明主要基于信息論和概率論，理論上可以抵抗某些類型的經(jīng)典攻擊，但對側(cè)信道攻擊和量子計算攻擊的防御能力較弱。解析思路：本題考查QKD的安全性原理及不同協(xié)議的區(qū)別。首先明確QKD依賴的量子力學(xué)原理（不可克隆、測量擾動）。解釋這些原理如何保證安全性（復(fù)制破壞、測量留痕）。然后對比BB84和E91，重點突出E91利用的是“量子糾纏”，解釋其產(chǎn)生密鑰和驗證安全性的方式（貝爾基測量、糾纏破壞），并強調(diào)其理論上的優(yōu)勢（抵抗所有攻擊類型）與BB84（依賴設(shè)備、主要抵抗經(jīng)典攻擊）的區(qū)別。三、答案：量子存儲技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)主要包括：1.存儲時間（相干時間）：量子態(tài)（如原子能級、量子比特）非常脆弱，容易受到環(huán)境噪聲（如溫度波動、電磁干擾）的影響而發(fā)生退相干，導(dǎo)致存儲的信息丟失。延長相干時間是實現(xiàn)長期、穩(wěn)定量子存儲的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。2.存儲保真度：在存儲和讀取過程中，量子態(tài)的信息可能會發(fā)生失真或丟失。高保真度的量子存儲對于保證存儲信息的準(zhǔn)確性和完整性至關(guān)重要，但目前實現(xiàn)高保真度存儲，尤其是在多次讀取后，仍然面臨困難。3.可擴展性：目前實現(xiàn)的單量子比特或小量子比特陣列的存儲系統(tǒng)，在擴展到包含足夠數(shù)量量子比特以實現(xiàn)實際應(yīng)用（如大容量量子內(nèi)存）時，面臨著技術(shù)集成、耦合效率、錯誤控制等多方面的巨大挑戰(zhàn)。規(guī)?；牧孔哟鎯ο到y(tǒng)需要克服這些擴展難題。解析思路：本題要求列舉并解釋量子存儲的三大挑戰(zhàn)。需清晰定義每個挑戰(zhàn)的含義（相干時間指退相干快慢，保真度指信息丟失程度，可擴展性指做大系統(tǒng)難易），并分別闡述其具體含義以及對“長期、可靠、大規(guī)?！绷孔影踩鎯?gòu)成的威脅（直接影響存儲壽命、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、系統(tǒng)實用性）。四、答案：量子安全直接通信（QSDC）的基本概念是指利用量子力學(xué)原理（主要是量子糾纏或單光子量子密鑰分發(fā)）直接實現(xiàn)信息的加密傳輸，而不僅僅是安全地分發(fā)一個用于對稱加密的密鑰。其試圖解決傳統(tǒng)加密方式面臨的主要問題是：1.密鑰分發(fā)的安全性：傳統(tǒng)密鑰分發(fā)協(xié)議（如RSA）的密鑰一旦被截獲，通信就完全被破解。雖然QKD可以安全分發(fā)密鑰，但QSDC旨在提供更進(jìn)一步的安全保障。2.后門風(fēng)險：一些經(jīng)典加密算法可能存在理論上的后門或設(shè)計缺陷。量子加密方法利用了物理定律，理論上提供了更高的安全性保證，難以被破解。QSDC的優(yōu)勢在于，它將量子安全的密鑰分發(fā)與量子存儲（如果需要中繼）和量子態(tài)調(diào)制（直接傳輸信息）相結(jié)合，理論上可以實現(xiàn)端到端的、無法被竊聽和破解的信息傳輸，提供了比僅依賴QKD（QKD仍需經(jīng)典信道傳輸加密信息本身或其密鑰）更高級別的安全保障。解析思路：本題考查QSDC的概念、解決的問題和優(yōu)勢。首先要清晰定義QSDC——直接傳輸加密信息。然后說明其試圖解決的問題是“密鑰分發(fā)本身”的安全性和傳統(tǒng)加密的“后門風(fēng)險”。最后，闡述其優(yōu)勢，強調(diào)其結(jié)合了QKD原理、可能涉及量子存儲和調(diào)制，旨在實現(xiàn)“端到端”量子安全傳輸，對比僅使用QKD分發(fā)密鑰的傳統(tǒng)模式，提供更高級別的安全保障。五、答案：一個基于量子存儲的安全數(shù)據(jù)備份方案的基本思想是：利用量子存儲作為安全的“保險箱”來存儲數(shù)據(jù)的量子化表示或加密版本。具體可以包括以下步驟：1.將原始數(shù)據(jù)通過某種方式（可能是量子編碼或經(jīng)典加密后量子化）轉(zhuǎn)化為量子態(tài)。2.將這些量子態(tài)存儲在量子存儲介質(zhì)中。3.通過量子信道（可能結(jié)合QKD）將量子存儲介質(zhì)安全地從原始位置傳輸?shù)絺浞菸恢?，或者利用量子隱形傳態(tài)等技術(shù)遠(yuǎn)程備份量子態(tài)。量子存儲的安全性體現(xiàn)在：由于量子態(tài)的不可克隆性，任何試圖復(fù)制存儲的量子態(tài)以竊取信息的行為都會被立即檢測到（如果系統(tǒng)設(shè)計了相應(yīng)的監(jiān)控機制）。備份的量子態(tài)可以在需要時被讀取并恢復(fù)為原始數(shù)據(jù)或其解密版本。該方案可能面臨的技術(shù)實現(xiàn)難點包括：量子存儲器的成本高昂、存儲容量有限、讀寫速度相對較慢、對環(huán)境條件要求苛刻（易退相干）、量子態(tài)的制備和操控復(fù)雜、以及量子傳輸或隱形傳態(tài)的效率和距離限制。安全風(fēng)險可能包括：雖然量子存儲本身提供高安全性，但數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)化為量子態(tài)之前或從量子存儲中恢復(fù)之后，在經(jīng)典信道中的處理和傳輸仍可能面臨竊聽風(fēng)險；量子存儲介質(zhì)本身可能被物理破壞或竊取；以及系統(tǒng)整體可能存在的未知漏洞。解析思路：本題要求設(shè)計并分析一個方案。設(shè)計部分需說明如何利用量子存儲實現(xiàn)安全備份（轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)為量子態(tài)->存儲->安全傳輸/恢復(fù)）。分析優(yōu)勢（基于量子不可克隆性）。難點分析需從技術(shù)角度出發(fā)（存儲器性能、成本、環(huán)境、操控、傳輸），全面列舉。風(fēng)險分析需考慮整個鏈條（前后經(jīng)典環(huán)節(jié)、物理安全、系統(tǒng)漏洞）。六、答案：量子計算對現(xiàn)有數(shù)據(jù)安全體系構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，主要是因為許多目前廣泛使用的公鑰加密算法（如RSA、ECC）其安全性依賴于某些數(shù)學(xué)問題的困難性（如大數(shù)分解、橢圓曲線離散對數(shù)問題），而量子計算機（特別是使用Shor算法的量子計算機）能夠高效地解決這些問題。例如，Shor算法可以在多項式時間內(nèi)分解大整數(shù)，這將使得RSA加密在理論上可以被破解，從而威脅到基于RSA的數(shù)據(jù)傳輸、存儲和數(shù)字簽名的安全性。類似地，ECC的安全性也面臨量子計算的威脅。除了QKD之外，正在研究的潛在量子安全加密或認(rèn)證方法主要包括：1.基于格的加密（Lattice-basedcryptography）：利用大整數(shù)分解問題在格（Lattice）理論中的困難性來構(gòu)建加密方案，目前已有NIST（美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院）舉辦的多輪量子抗性密碼算法競賽。2.基于編碼的加密（Code-basedcryptography）：利用低密度奇偶校驗碼（LDPC）等編碼理論的困難性來構(gòu)建加密方案。3.基于哈希的加密（Hash-basedcryptograph