2025年大學(xué)《量子信息科學(xué)》專業(yè)題庫——量子信息技術(shù)在人類健康中的應(yīng)用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項字母填在括號內(nèi)）1.量子比特（qubit）區(qū)別于經(jīng)典比特的關(guān)鍵特性在于其能夠處于（）狀態(tài)。A.0和1B.0或1C.0和1的疊加D.僅當(dāng)0和1同時為真2.量子計算在藥物發(fā)現(xiàn)中主要優(yōu)勢在于能夠（）。A.以遠超經(jīng)典計算機的速度執(zhí)行固定算法B.保證計算結(jié)果的絕對準確性C.并行探索大量分子結(jié)構(gòu)和其相互作用的可能性D.直接合成化學(xué)物質(zhì)3.量子糾纏現(xiàn)象常被描述為（）。A.兩個粒子之間存在瞬時聯(lián)系，無論相距多遠B.粒子具有模糊的不確定狀態(tài)C.粒子具有內(nèi)在的、不可測量的屬性D.粒子通過經(jīng)典信號相互影響4.在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域，利用量子效應(yīng)提升傳感器靈敏度的主要原理是（）。A.量子隧穿效應(yīng)產(chǎn)生信號放大B.量子比特的疊加態(tài)增強探測信號C.量子系統(tǒng)的低噪聲特性，能更精確地探測微弱信號D.量子計算直接生成圖像5.量子點在生物醫(yī)學(xué)成像中受歡迎的原因之一是（）。A.它們能長距離傳輸信號B.它們具有尺寸依賴的光學(xué)特性，且熒光穩(wěn)定、壽命長C.它們能自發(fā)產(chǎn)生特定生物信號D.它們完全無毒，無免疫原性6.以下哪項不是當(dāng)前量子信息技術(shù)在臨床診斷中面臨的主要挑戰(zhàn)？（）A.量子設(shè)備的操作和維護需要高度專業(yè)化的知識B.量子比特的退相干問題限制了計算規(guī)模和時長C.缺乏足夠數(shù)量的、經(jīng)過嚴格臨床驗證的量子醫(yī)療應(yīng)用D.量子計算機的成本仍然過高，難以大規(guī)模普及7.量子密碼學(xué)（如BB84協(xié)議）在醫(yī)療數(shù)據(jù)安全中的應(yīng)用主要基于量子力學(xué)的（）。A.疊加原理B.糾纏原理C.不可克隆定理D.測量塌縮效應(yīng)8.將量子計算應(yīng)用于個性化醫(yī)療，其潛在價值在于（）。A.快速為患者制定標(biāo)準化的治療方案B.基于患者的基因組等個體化數(shù)據(jù)，模擬疾病發(fā)展并預(yù)測最佳藥物組合C.自動化執(zhí)行臨床護理任務(wù)D.無需醫(yī)生干預(yù)即可診斷疾病9.量子傳感器在無創(chuàng)血糖監(jiān)測方面的主要障礙在于（）。A.量子傳感器成本過高B.難以將微弱的血糖濃度信號與量子傳感器的信號有效區(qū)分C.量子傳感器對生物組織的穿透能力不足D.需要大量訓(xùn)練數(shù)據(jù)來校準傳感器10.下列關(guān)于量子生物學(xué)與量子醫(yī)療關(guān)系的表述，哪項是正確的？（）A.量子生物學(xué)旨在完全用量子計算機模擬所有生物過程B.量子醫(yī)療只關(guān)注將現(xiàn)有量子技術(shù)直接應(yīng)用于臨床診斷和治療C.對生物過程中是否存在量子效應(yīng)的研究，可能為開發(fā)新的量子醫(yī)療技術(shù)提供理論基礎(chǔ)D.量子生物學(xué)與量子醫(yī)療是兩個完全獨立的領(lǐng)域，互不影響二、填空題（每空1分，共15分。請將答案填在橫線上）1.量子比特同時處于|0?和|1?的線性組合狀態(tài)稱為________。2.量子計算通過量子________和量子________實現(xiàn)對問題的并行處理和優(yōu)化。3.利用量子傳感技術(shù)提高核磁共振成像（MRI）分辨率，主要是利用量子系統(tǒng)的________特性。4.量子點作為一種納米半導(dǎo)體顆粒，其光學(xué)性質(zhì)（如發(fā)光顏色）對尺寸具有強烈的________依賴性。5.量子信息科學(xué)中的________效應(yīng)表明，一旦測量一個糾纏粒子的某個屬性，其對應(yīng)粒子的該屬性瞬間確定，無論兩者相距多遠。6.量子醫(yī)療技術(shù)目前仍處于________階段，許多應(yīng)用尚需進一步的基礎(chǔ)研究和臨床試驗。7.量子退相干是指量子系統(tǒng)與外界環(huán)境相互作用導(dǎo)致其________狀態(tài)丟失的過程。8.在量子通信中，利用單個光子的________狀態(tài)（如偏振態(tài)）來傳遞信息，理論上可以抵抗竊聽。9.量子技術(shù)在生物成像中一個重要的應(yīng)用是作為熒光標(biāo)記物，利用其________和長壽命特性。10.對量子生物現(xiàn)象的研究，可能有助于理解生命的________，并為設(shè)計基于生物原理的量子器件提供啟示。三、簡答題（每小題5分，共20分。請簡要回答下列問題）1.簡述量子計算的并行處理能力是如何優(yōu)于傳統(tǒng)經(jīng)典計算機的，并舉例說明其在藥物發(fā)現(xiàn)中的潛在應(yīng)用優(yōu)勢。2.解釋什么是量子傳感，并列舉其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域（除MRI外）至少兩種具體應(yīng)用場景。3.簡要說明量子點作為生物成像探針的主要優(yōu)點是什么。4.闡述量子信息技術(shù)應(yīng)用于人類健康領(lǐng)域可能帶來的倫理和社會問題。四、論述題（每小題10分，共30分。請圍繞下列主題展開論述）1.綜合分析量子計算在個性化醫(yī)療領(lǐng)域可能發(fā)揮的作用，并探討其目前面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)和實現(xiàn)路徑。2.比較量子核磁共振（QMRI）與傳統(tǒng)核磁共振（MRI）在原理、潛在優(yōu)勢（如靈敏度、成像速度、新功能）和當(dāng)前發(fā)展階段方面的異同。3.探討量子信息技術(shù)（包括量子計算、量子傳感、量子生物等）對未來醫(yī)學(xué)研究范式可能產(chǎn)生的深刻影響。---試卷答案一、選擇題1.C2.C3.A4.C5.B6.D7.C8.B9.B10.C二、填空題1.疊加2.并行處理，優(yōu)化算法3.低噪聲4.尺寸5.糾纏6.創(chuàng)新或研發(fā)7.量子8.概率9.高亮度和高量子產(chǎn)率10.奧秘或基本規(guī)律三、簡答題1.解析思路：首先解釋量子比特的疊加特性，說明一個量子比特可以同時代表0和1。進而解釋量子計算利用量子疊加和量子糾纏，使得量子態(tài)的數(shù)量隨量子比特數(shù)呈指數(shù)增長，從而實現(xiàn)指數(shù)級的并行計算能力。最后，結(jié)合藥物發(fā)現(xiàn)，說明這種并行能力可以同時評估大量分子結(jié)構(gòu)與靶點的相互作用，或搜索巨大的化學(xué)空間，從而極大加速新藥的篩選和設(shè)計過程。2.解析思路：首先定義量子傳感，強調(diào)其基于量子系統(tǒng)的極端敏感性來探測物理量（如磁場、電場、溫度、壓力等）的原理。然后列舉具體醫(yī)學(xué)應(yīng)用，例如利用超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）進行高靈敏度腦磁圖（MEG）成像以探測神經(jīng)活動；利用量子核磁共振（QMRI）進行更高分辨率的組織成像；或利用量子傳感器檢測體液中的特定生物標(biāo)志物。3.解析思路：從量子點的基本性質(zhì)入手，說明其作為納米半導(dǎo)體顆粒，具有量子限域效應(yīng)，導(dǎo)致其光學(xué)性質(zhì)（吸收光譜和發(fā)射光譜）強烈依賴于尺寸。進而指出，通過精確控制尺寸可以獲得所需顏色的熒光，且量子點具有高熒光量子產(chǎn)率（發(fā)光效率高）和長熒光壽命（發(fā)光持續(xù)時間長），這些特性使其成為優(yōu)于傳統(tǒng)熒光染料的生物成像探針。4.解析思路：從信息安全和隱私角度，討論量子計算可能破解現(xiàn)有公鑰加密系統(tǒng)，影響醫(yī)療數(shù)據(jù)傳輸和存儲的安全。從技術(shù)可及性角度，討論目前量子醫(yī)療技術(shù)尚不成熟，成本高昂，普及困難可能帶來的醫(yī)療資源分配不均問題。從倫理角度，討論基因編輯等量子技術(shù)應(yīng)用于人類基因治療可能帶來的“設(shè)計嬰兒”、歧視等倫理爭議。從社會接受度角度，討論公眾對量子技術(shù)及其醫(yī)療應(yīng)用的誤解或恐懼。四、論述題1.解析思路：首先闡述量子計算在個性化醫(yī)療中的作用，例如通過模擬復(fù)雜生物分子相互作用加速藥物靶點發(fā)現(xiàn)和候選藥物篩選；分析患者的基因組、蛋白質(zhì)組等“組學(xué)”數(shù)據(jù)，預(yù)測疾病風(fēng)險和藥物反應(yīng)；優(yōu)化個性化治療方案，尋找最佳藥物組合和劑量。接著，重點分析技術(shù)挑戰(zhàn)，包括當(dāng)前量子計算機的規(guī)模、穩(wěn)定性和錯誤率限制；開發(fā)適用于生物醫(yī)學(xué)問題的量子算法和模型；建立有效的量子-經(jīng)典混合計算框架；以及需要大量訓(xùn)練數(shù)據(jù)和專業(yè)知識。最后，提出可能的實現(xiàn)路徑，如發(fā)展容錯量子計算技術(shù)；加強量子算法與生物信息學(xué)的交叉研究；開展更多的基礎(chǔ)研究和臨床試驗驗證。2.解析思路：先分別定義QMRI和傳統(tǒng)MRI（通常指CMR，即核磁共振成像），說明兩者都基于核磁共振原理。接著比較異同：相同點在于都利用原子核（主要是氫核）在強磁場中的共振信號進行成像。不同點在于QMRI通常使用超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）作為高靈敏度探測器，理論上可以獲得比傳統(tǒng)CMR更高的空間和時間分辨率，可能探測到更微弱的信號或?qū)崿F(xiàn)更快的成像速度，并可能實現(xiàn)一些傳統(tǒng)CMR無法達到的新成像功能（如量子核磁共振波譜成像、對特定量子態(tài)的成像等）。最后，指出QMRI目前仍主要處于研究和開發(fā)階段，而傳統(tǒng)MRI已是成熟的臨床診斷工具，QMRI的挑戰(zhàn)在于技術(shù)復(fù)雜度、成本和標(biāo)準化。3.解析思路：首先指出量子信息技術(shù)帶來的數(shù)據(jù)革命，例如量子計算能夠處理和分析傳統(tǒng)計算機難以處理的龐大數(shù)據(jù)（如基因組數(shù)據(jù)、醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)），可能發(fā)現(xiàn)隱藏的疾病模式或生物標(biāo)記物。其次，討論量子