2025年大學(xué)《量子信息科學(xué)》專業(yè)題庫——量子信息傳輸中的協(xié)同通信協(xié)議考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請將正確選項的首字母填入括號內(nèi)，每題2分，共20分）1.在量子協(xié)同通信協(xié)議中，利用量子糾纏實現(xiàn)信息傳輸?shù)年P(guān)鍵優(yōu)勢在于？A.提高了單個信道的傳輸速率B.實現(xiàn)了超光速信息傳遞C.允許在量子存儲器中無限期保存量子態(tài)D.允許兩個遠(yuǎn)程用戶共享糾纏資源，實現(xiàn)超越經(jīng)典信道極限的通信2.量子中繼器的主要功能是？A.像經(jīng)典中繼器一樣放大信號B.分離來自不同用戶的糾纏態(tài)C.將弱量子信號轉(zhuǎn)換為強(qiáng)量子信號D.在量子信道中傳遞糾纏態(tài)，克服距離限制3.E91協(xié)議是一種用于檢測量子信道中竊聽行為的協(xié)議，其核心原理依賴于？A.量子隱形傳態(tài)B.量子不可克隆定理C.量子糾纏的特性D.量子退相干效應(yīng)4.與經(jīng)典協(xié)同通信相比，量子協(xié)同通信面臨的主要挑戰(zhàn)之一是？A.需要更高的計算資源B.量子態(tài)的脆弱性（易受干擾和測量塌縮）C.協(xié)同節(jié)點的管理復(fù)雜性D.量子信道的帶寬限制5.在基于EPR對的量子密鑰分發(fā)（QKD）協(xié)同協(xié)議中，Alice和Bob各自測量EPR對后，需要通過經(jīng)典信道比較的是什么？A.兩個粒子的測量結(jié)果本身B.兩個粒子的測量基矢C.兩個粒子的量子態(tài)D.兩個粒子之間剩余的糾纏度6.量子存儲器在量子協(xié)同通信中的作用主要是？A.存儲經(jīng)典數(shù)據(jù)B.存儲臨時退相干的量子態(tài)C.延遲量子信息的傳輸，實現(xiàn)異步通信D.增強(qiáng)量子信號的抗干擾能力7.協(xié)同通信中，當(dāng)協(xié)同節(jié)點數(shù)量增加時，通常期望達(dá)到的效果是？A.必然導(dǎo)致通信錯誤率急劇上升B.通信速率和可靠性都得到提升C.通信速率不變，但可靠性下降D.只能提升通信速率，不能提升可靠性8.量子秘密共享（QSS）協(xié)議與量子協(xié)同通信協(xié)議的主要區(qū)別在于？A.前者用于分發(fā)信息，后者用于傳輸信息B.前者基于量子糾纏，后者基于量子隱形傳態(tài)C.前者不需要經(jīng)典通信，后者需要大量經(jīng)典通信D.前者只能用于單用戶，后者可以用于多用戶9.以下哪項不是量子協(xié)同通信協(xié)議需要考慮的性能指標(biāo)？A.信道容量B.量子態(tài)保真度C.協(xié)同節(jié)點的能耗D.傳輸時延10.研究量子協(xié)同通信協(xié)議的意義在于？A.僅限于實驗室研究，無實際應(yīng)用價值B.為構(gòu)建未來量子互聯(lián)網(wǎng)提供關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)C.旨在替代所有經(jīng)典通信技術(shù)D.主要用于軍事通信領(lǐng)域二、簡答題（請簡要回答下列問題，每題5分，共25分）1.簡述量子糾纏在實現(xiàn)遠(yuǎn)程量子通信（如量子隱形傳態(tài)或協(xié)同通信）中的作用。2.解釋什么是量子中繼器，并簡述其在量子通信中的作用。3.簡述E91協(xié)議的基本思想及其如何用于檢測竊聽。4.與經(jīng)典協(xié)同通信相比，量子協(xié)同通信在安全性方面有哪些潛在優(yōu)勢？5.在量子協(xié)同通信協(xié)議設(shè)計中，需要考慮哪些主要的資源開銷？（例如，時間、能量、糾纏等）三、計算題與分析題（請詳細(xì)說明計算過程或分析思路，每題10分，共40分）1.假設(shè)在一個量子協(xié)同通信場景中，Alice和Bob之間有一條噪聲量子信道，且存在一個協(xié)同節(jié)點Charlie可以共享糾纏。簡述一個基于EPR對的簡單協(xié)議，說明如何利用Charlie來幫助Alice和Bob提高量子態(tài)傳輸?shù)谋Ｕ娑?，并簡要分析其原理?.分析一個兩用戶（Alice和Bob）之間的量子協(xié)同通信協(xié)議的性能。假設(shè)Alice和Bob之間有一條高損耗量子信道，他們共享一個預(yù)先建立的EPR對。請簡述協(xié)議的基本步驟，并定性分析在存在信道噪聲的情況下，該協(xié)議如何工作以及其可能達(dá)到的極限（例如，從Alice發(fā)送到Bob的量子態(tài)保真度）。3.比較基于量子存儲器的協(xié)同通信協(xié)議和基于實時量子糾纏交換的協(xié)同通信協(xié)議。請從實現(xiàn)復(fù)雜度、性能（如傳輸速率、延遲）、對信道條件的要求等方面進(jìn)行分析。4.設(shè)想一個場景，Alice和Bob相距很遠(yuǎn)，中間沒有可用的量子中繼器，但存在一個分布式網(wǎng)絡(luò)，其中多個節(jié)點可以共享預(yù)先制備的糾纏。請設(shè)計一個簡化的量子協(xié)同通信協(xié)議框架，說明如何利用這個分布式糾纏網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)在Alice和Bob之間的量子信息傳輸。四、論述題（請深入闡述下列問題，不少于150字，15分）論述量子協(xié)同通信協(xié)議在未來量子互聯(lián)網(wǎng)中的潛在作用和面臨的重大挑戰(zhàn)。試卷答案一、選擇題1.D2.D3.C4.B5.B6.C7.B8.A9.C10.B二、簡答題1.解析思路：答案應(yīng)圍繞糾纏的非定域性展開。量子糾纏允許兩個或多個粒子的量子態(tài)成為整體，測量其中一個粒子的狀態(tài)會瞬時影響另一個粒子的狀態(tài)，無論它們相距多遠(yuǎn)。在協(xié)同通信中，可以利用預(yù)先共享的糾纏態(tài)，通過在遠(yuǎn)程節(jié)點進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏y量和經(jīng)典通信，將量子信息（編碼在某個粒子的量子態(tài)上）傳輸?shù)搅硪粋€遠(yuǎn)程節(jié)點。糾纏的非定域性是實現(xiàn)這種超距信息傳遞或增強(qiáng)通信性能的基礎(chǔ)。2.解析思路：答案應(yīng)說明量子中繼器的功能類似于經(jīng)典中繼器，但工作原理基于量子力學(xué)。量子中繼器的作用是接收來自一個節(jié)點的弱或退相干的量子態(tài)，對其進(jìn)行存儲（利用量子存儲器），然后將其恢復(fù)到原始狀態(tài)并發(fā)送到下一個節(jié)點。這使得量子信息可以跨過距離遙遠(yuǎn)的信道，克服了量子態(tài)易受損失和信道距離限制的問題，是實現(xiàn)長距離量子通信的關(guān)鍵器件。3.解析思路：答案應(yīng)解釋E91協(xié)議利用了EPR對的量子力學(xué)特性。E91協(xié)議假設(shè)Alice和Bob通過經(jīng)典信道共享一個預(yù)先建立的EPR對。他們各自獨立測量一對EPR粒子。然后，通過公開的經(jīng)典信道比較他們使用的測量基。根據(jù)量子力學(xué)預(yù)測，如果信道是理想的且沒有竊聽，他們測量結(jié)果的關(guān)聯(lián)性應(yīng)遵循特定統(tǒng)計分布。任何竊聽行為都會干擾粒子的量子態(tài)或測量過程，導(dǎo)致測量結(jié)果偏離預(yù)期統(tǒng)計分布，從而被Alice和Bob發(fā)現(xiàn)。4.解析思路：答案應(yīng)強(qiáng)調(diào)量子測量的不可克隆定理和量子不可逆性。由于量子態(tài)無法被無失真復(fù)制，竊聽者無法在不破壞原始量子態(tài)的情況下獲取信息。同時，測量操作會不可避免地改變被測量的量子態(tài)。一些量子協(xié)同通信協(xié)議（如E91）正是利用這些量子力學(xué)基本原理來設(shè)計，使得任何竊聽行為都會留下可被檢測的痕跡，從而提供更高的潛在安全性，理論上可以達(dá)到信息論安全或認(rèn)證安全。5.解析思路：答案應(yīng)列舉資源開銷的主要方面。設(shè)計量子協(xié)同通信協(xié)議需要權(quán)衡多種資源。主要包括：①糾纏資源：產(chǎn)生、存儲和傳輸糾纏態(tài)需要大量的資源，尤其是在分布式網(wǎng)絡(luò)中。②經(jīng)典通信資源：協(xié)同節(jié)點之間需要通過經(jīng)典信道進(jìn)行協(xié)調(diào)和結(jié)果比較，這會產(chǎn)生通信開銷和延遲。③量子存儲器資源：為了補(bǔ)償信道損耗或?qū)崿F(xiàn)異步傳輸，可能需要高質(zhì)量的量子存儲器。④時間開銷：協(xié)議的執(zhí)行需要時間，包括測量、存儲、傳輸和協(xié)調(diào)等步驟。⑤能量消耗：運行量子設(shè)備（如測量設(shè)備、存儲器、糾纏源）需要能量。三、計算題與分析題1.解析思路：此題要求設(shè)計并分析。設(shè)計部分應(yīng)說明利用Charlie共享的糾纏（如EPR對）和可能的存儲器。例如，Alice測量本地粒子A，Charlie測量遠(yuǎn)程粒子C，Bob測量本地粒子B。他們通過經(jīng)典信道共享測量結(jié)果和測量基。根據(jù)共享信息和量子操作規(guī)則，Alice和Bob可以對各自測量的粒子進(jìn)行聯(lián)合操作（如幺正變換），以恢復(fù)Alice發(fā)送給Bob的量子態(tài)的近似副本。分析部分應(yīng)指出，通過共享糾纏，可以有效克服單條信道質(zhì)量差的限制，提高遠(yuǎn)程量子態(tài)傳輸?shù)谋Ｕ娑龋碓谟诶昧思m纏關(guān)聯(lián)和經(jīng)典通信來補(bǔ)償信道損失或錯誤。2.解析思路：此題要求分析具體協(xié)議。分析應(yīng)描述基于EPR對的協(xié)議：Alice測量本地粒子，通過與Charlie共享的糾纏，將信息編碼到Charlie測量的粒子狀態(tài)上，Charlie將含有信息的粒子發(fā)送給Bob，Bob根據(jù)Alice和Charlie的測量結(jié)果和基進(jìn)行相關(guān)操作以解碼信息。定性分析應(yīng)關(guān)注噪聲影響：信道噪聲會劣化粒子狀態(tài)，糾纏也會減弱。協(xié)議性能極限（如保真度）受限于信道噪聲強(qiáng)度、EPR對的質(zhì)量以及測量和存儲的保真度。目標(biāo)是證明即使存在噪聲，利用共享糾纏也能比單用戶通信獲得更高的可靠傳輸率或保真度。3.解析思路：此題要求比較兩種方案。比較應(yīng)從多個維度展開：①實現(xiàn)復(fù)雜度：基于存儲器的協(xié)議可能需要高質(zhì)量的、大容量的存儲器，實現(xiàn)難度可能較高。基于實時糾纏交換的協(xié)議需要可靠的糾纏源和交換機(jī)制，也可能復(fù)雜。②性能：基于存儲器的協(xié)議可以實現(xiàn)異步通信，理論上可能提供更高的容錯能力或靈活性，但存儲保真度限制了性能。實時糾纏交換協(xié)議通常更直接，但受信道質(zhì)量限制。③信道要求：基于存儲器的協(xié)議對單條信道質(zhì)量要求可能稍低（因為信息可以通過存儲和轉(zhuǎn)發(fā)來補(bǔ)償），但存儲器性能是關(guān)鍵。實時糾纏交換協(xié)議通常需要高質(zhì)量、低損耗的實時量子信道。應(yīng)指出沒有絕對優(yōu)劣，選擇取決于具體應(yīng)用場景和技術(shù)水平。4.解析思路：此題要求設(shè)計框架?？蚣軕?yīng)包含核心要素：①分布式糾纏網(wǎng)絡(luò)：假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點（如N1,N2,...,Nk）預(yù)先共享了與其他節(jié)點的糾纏。②請求與響應(yīng)機(jī)制：Alice（發(fā)送方）和Bob（接收方）向網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點發(fā)起量子信息傳輸請求。③路由與分發(fā)：網(wǎng)絡(luò)節(jié)點根據(jù)請求和本地連接的糾纏資源，通過一系列本地測量和經(jīng)典通信，將Alice的量子信息沿著路徑傳遞，最終到達(dá)Bob。④糾纏補(bǔ)充：在傳輸過程中，如果遇到糾纏不足或損耗，可能需要在節(jié)點間進(jìn)行糾纏交換或補(bǔ)充操作。⑤協(xié)議細(xì)節(jié)：應(yīng)簡述關(guān)鍵步驟，如初始糾纏分發(fā)、傳輸過程中的測量和經(jīng)典協(xié)調(diào)、最終信息交付等。重點在于展示如何利用網(wǎng)絡(luò)的分布式特性來克服長距離傳輸?shù)恼系K。四、論述題解析思路：答案應(yīng)分為兩部分：①潛在作用：闡述量子協(xié)同通信作為量子互聯(lián)網(wǎng)的基石，可以顯著提升現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)的性能極限，實現(xiàn)超距量子密鑰分發(fā)、分布式量子計算、遠(yuǎn)程量子測量等。它利用量子力學(xué)原理，可能在安全性、傳輸效率和信息處理能力上超越經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)。②重大