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)在腫瘤學(xué)中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)述量子疊加和量子糾纏現(xiàn)象，并分別說明它們?cè)诹孔有畔⑻幚碇锌赡芫哂械膽?yīng)用價(jià)值。二、量子計(jì)算在藥物發(fā)現(xiàn)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。請(qǐng)簡(jiǎn)述利用量子計(jì)算進(jìn)行分子模擬和藥物篩選的基本原理，并指出其相較于傳統(tǒng)計(jì)算方法的主要優(yōu)勢(shì)。三、量子傳感技術(shù)因具有高靈敏度、高精度等優(yōu)勢(shì)，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域備受關(guān)注。請(qǐng)列舉至少兩種基于不同物理原理（如NV色心、原子干涉）的量子傳感器，并分別說明其在一項(xiàng)具體的腫瘤相關(guān)檢測(cè)（如腫瘤標(biāo)志物檢測(cè)、腫瘤微環(huán)境參數(shù)測(cè)量）中的應(yīng)用潛力。四、當(dāng)前，將量子信息科學(xué)與腫瘤學(xué)結(jié)合的研究仍面臨諸多挑戰(zhàn)。請(qǐng)從技術(shù)實(shí)現(xiàn)、臨床轉(zhuǎn)化、倫理法規(guī)等方面，分析當(dāng)前該領(lǐng)域研究面臨的主要困難。五、設(shè)想一種利用量子密鑰分發(fā)（QKD）技術(shù)保障腫瘤患者敏感醫(yī)療數(shù)據(jù)（如基因測(cè)序結(jié)果、診療信息）安全傳輸?shù)姆桨浮Ｕ?qǐng)簡(jiǎn)述該方案的原理，并說明其相較于經(jīng)典加密方式在安全性方面的優(yōu)勢(shì)。六、量子機(jī)器學(xué)習(xí)被認(rèn)為是推動(dòng)量子信息科學(xué)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的重要方向之一。請(qǐng)簡(jiǎn)述量子機(jī)器學(xué)習(xí)在腫瘤基因組數(shù)據(jù)分析或腫瘤進(jìn)展預(yù)測(cè)中可能發(fā)揮的作用，并探討其面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。試卷答案一、解析思路：要求回答兩個(gè)核心量子力學(xué)概念及其應(yīng)用價(jià)值。疊加原理指量子比特可以同時(shí)處于0和1的線性組合態(tài)，這使得量子計(jì)算機(jī)能并行處理大量可能性，適用于搜索和優(yōu)化問題。糾纏原理指兩個(gè)或多個(gè)量子比特之間存在一種特殊關(guān)聯(lián)，測(cè)量其中一個(gè)的狀態(tài)會(huì)瞬間影響另一個(gè)的狀態(tài)，無(wú)論它們相距多遠(yuǎn)，這種關(guān)聯(lián)可用于高效通信和增強(qiáng)測(cè)量精度。應(yīng)用價(jià)值在于，疊加是實(shí)現(xiàn)量子并行計(jì)算的基礎(chǔ)，糾纏是構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)、量子密鑰分發(fā)和實(shí)現(xiàn)某些量子算法（如量子隱形傳態(tài)）的關(guān)鍵資源。二、解析思路：要求闡述量子計(jì)算在藥物發(fā)現(xiàn)中的原理和優(yōu)勢(shì)。原理方面，需要說明量子計(jì)算機(jī)如何通過模擬量子系統(tǒng)（如分子）的波函數(shù)來(lái)處理傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)難以解決的復(fù)雜分子動(dòng)力學(xué)問題，以及如何利用量子算法（如VQE）高效搜索龐大的分子數(shù)據(jù)庫(kù)尋找藥物候選物。優(yōu)勢(shì)在于，量子計(jì)算的并行性和量子疊加/糾纏特性使其在模擬分子間相互作用、計(jì)算反應(yīng)路徑、優(yōu)化分子結(jié)構(gòu)等方面，相比基于經(jīng)典力學(xué)的傳統(tǒng)計(jì)算方法，能更快速、更準(zhǔn)確地獲得全局最優(yōu)解或接近最優(yōu)解。三、解析思路：要求列舉兩種不同原理的量子傳感器并說明其在腫瘤檢測(cè)中的應(yīng)用。例如，NV色心（Nitrogen-Vacancycenter）利用其量子自旋在宏觀磁場(chǎng)的量子隧穿效應(yīng)產(chǎn)生頻率調(diào)制信號(hào)，具有高靈敏度，可用于檢測(cè)生物樣本中的局部磁場(chǎng)變化，如腫瘤組織中的pH值、氧濃度或金屬離子濃度異常。原子干涉儀（如銫束干涉儀）利用原子在通過勢(shì)場(chǎng)梯度時(shí)發(fā)生相移的干涉效應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)微小力、加速度或電場(chǎng)的極高精度測(cè)量，可用于檢測(cè)腫瘤相關(guān)的微弱生物信號(hào)或介電常數(shù)變化。應(yīng)用潛力需結(jié)合腫瘤標(biāo)志物或微環(huán)境的物理特性來(lái)闡述。四、解析思路：要求分析該領(lǐng)域面臨的多方面挑戰(zhàn)。技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，包括構(gòu)建穩(wěn)定、容錯(cuò)的量子計(jì)算設(shè)備、開發(fā)適用于生物醫(yī)學(xué)問題的量子算法和量子軟件、以及如何將量子探頭與生物樣品有效耦合等。臨床轉(zhuǎn)化上，涉及如何將實(shí)驗(yàn)室研究成果轉(zhuǎn)化為可靠的診斷或治療工具、如何進(jìn)行大規(guī)模臨床試驗(yàn)驗(yàn)證其有效性和安全性、以及如何納入現(xiàn)有醫(yī)療體系等。倫理法規(guī)上，包括患者隱私保護(hù)（尤其是在使用量子計(jì)算處理敏感基因數(shù)據(jù)時(shí)）、數(shù)據(jù)安全、治療過程中的潛在風(fēng)險(xiǎn)以及相關(guān)的倫理規(guī)范制定等。五、解析思路：要求設(shè)計(jì)一個(gè)基于QKD保障醫(yī)療數(shù)據(jù)安全的方案并說明其優(yōu)勢(shì)。方案原理：利用量子力學(xué)原理（如海森堡不確定性原理或單光子不可克隆定理）確保密鑰分發(fā)的安全性，任何竊聽行為都會(huì)不可避免地干擾量子態(tài)，從而被發(fā)送方和合法接收方察覺。優(yōu)勢(shì)在于，QKD提供的是理論上的無(wú)條件安全（UnconditionalSecurity），即信息論安全，只要密鑰分發(fā)過程正確執(zhí)行，即使攻擊者擁有無(wú)限計(jì)算資源也無(wú)法破解密鑰，這遠(yuǎn)超傳統(tǒng)加密算法（如AES）的假定安全模型，后者可能在未來(lái)被量子計(jì)算機(jī)破解。六、解析思路：要求闡述量子機(jī)器學(xué)習(xí)在腫瘤分析中的作用及挑戰(zhàn)。作用方面，可以說明QML如何利用量子計(jì)算機(jī)處理高維、復(fù)雜的腫瘤基因組數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)難以察覺的隱藏模式或關(guān)聯(lián)，從而更準(zhǔn)確地識(shí)別腫瘤亞型、預(yù)測(cè)患者生存率、判斷對(duì)特定治療的反應(yīng)等。挑戰(zhàn)則包括：1）量子硬件的當(dāng)前狀態(tài)（如量子比特?cái)?shù)、相干時(shí)間、錯(cuò)誤率等）是