2025年大學(xué)《量子信息科學(xué)》專業(yè)題庫——量子信息加密技巧考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請將正確選項(xiàng)填入括號內(nèi)）1.量子密鑰分發(fā)（QKD）利用了量子力學(xué)中的哪個基本原理來保證密鑰分發(fā)的安全性？A.量子疊加B.量子糾纏C.量子不可克隆定理D.量子退相干2.在BB84量子密鑰分發(fā)協(xié)議中，發(fā)送方隨機(jī)選擇發(fā)送基（{|0?,|1?}或{|+?,|-?}），接收方則隨機(jī)選擇測量基。這種隨機(jī)性對于協(xié)議的安全性起到了關(guān)鍵作用，主要體現(xiàn)在：A.增加了密鑰的長度B.使得攻擊者難以預(yù)測測量結(jié)果C.提高了量子態(tài)的制備效率D.保證了密鑰的傳輸速度3.E91量子密鑰分發(fā)協(xié)議與BB84協(xié)議相比，其主要區(qū)別和優(yōu)勢在于：A.使用了更復(fù)雜的量子態(tài)B.不需要隨機(jī)選擇測量基C.利用了貝爾不等式進(jìn)行安全性驗(yàn)證，理論上更易證明安全性D.實(shí)現(xiàn)了更高的密鑰率4.如果攻擊者試圖通過測量來復(fù)制發(fā)送方的單光子量子態(tài)，將會面臨什么fundamentallimit（基本限制）？A.光子會被吸收B.測量會不可避免地改變被測量子態(tài)的狀態(tài)（測量塌縮）C.復(fù)制過程會消耗巨大能量D.量子態(tài)會立即衰減5.以下哪項(xiàng)技術(shù)被認(rèn)為是針對QKD協(xié)議的側(cè)信道攻擊？A.使用量子計(jì)算機(jī)破解密鑰B.分析攻擊者測量設(shè)備發(fā)出的微小光信號或電流信號C.利用Shor算法分解大整數(shù)D.截獲并重放傳輸?shù)牧孔討B(tài)二、填空題（請將答案填入橫線上）6.量子密鑰分發(fā)協(xié)議通常被認(rèn)為是基于______安全性的，這意味著即使攻擊者擁有無限的計(jì)算能力，也無法在合理時間內(nèi)破解由QKD生成的密鑰。7.在BB84協(xié)議中，如果發(fā)送方發(fā)送的是量子態(tài)|+?=(|0?+|1?)/√2，而接收方使用{|0?,|1?}基進(jìn)行測量，那么接收方測量得到|0?的概率是______。8.為了抵御竊聽者可能進(jìn)行的“存儲攻擊”（即竊聽者記錄量子態(tài)后在發(fā)送完所有量子比特后再進(jìn)行測量），一些QKD協(xié)議需要引入______的概念，通過比對前后測量的量子態(tài)相關(guān)性來檢測攻擊。9.量子不可克隆定理指出，任何對未知量子態(tài)的______復(fù)制都是不可能的，且復(fù)制過程中會引入可被檢測到的擾動。10.QKD技術(shù)的主要應(yīng)用目標(biāo)是提供______，即在密鑰生成階段就能保證密鑰的安全性，而密鑰本身的傳輸可以采用相對廉價的經(jīng)典信道。三、簡答題（請簡潔明了地回答下列問題）11.簡述量子密鑰分發(fā)（QKD）的基本思想。它與經(jīng)典密鑰分發(fā)相比，主要的安全優(yōu)勢體現(xiàn)在哪里？12.請簡述BB84量子密鑰分發(fā)協(xié)議的主要步驟，包括密鑰生成過程和密鑰提取過程。13.什么是量子不可克隆定理？它為什么對于量子密碼學(xué)，特別是QKD的安全性至關(guān)重要？14.列舉至少三種QKD協(xié)議實(shí)際部署中可能面臨的挑戰(zhàn)或攻擊類型，并簡要說明其原理或防御思路。四、論述題（請結(jié)合所學(xué)知識，條理清晰地回答下列問題）15.論述量子糾纏在量子信息科學(xué)（特別是量子通信領(lǐng)域）中的重要性，并選擇一個具體的應(yīng)用（如量子密鑰分發(fā)或量子隱形傳態(tài)），說明糾纏在其中扮演的角色。16.隨著量子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)加密算法面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，而量子加密（QKD）被認(rèn)為是應(yīng)對這一威脅的重要手段。請討論QKD技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、面臨的主要技術(shù)瓶頸以及未來的發(fā)展方向。試卷答案一、選擇題1.C*解析：QKD的安全性主要基于量子力學(xué)的基本原理，特別是量子不可克隆定理。該定理保證了攻擊者無法復(fù)制傳輸?shù)牧孔討B(tài)，從而使得任何竊聽行為都會被檢測到。2.B*解析：接收方測量基的選擇是隨機(jī)的，這使得攻擊者無法預(yù)測發(fā)送方發(fā)送的量子態(tài)的具體結(jié)果，只能猜測，從而無法建立有效的密鑰。3.C*解析：E91協(xié)議的核心創(chuàng)新在于利用貝爾不等式檢驗(yàn)來探測攻擊，其理論基礎(chǔ)更直接地關(guān)聯(lián)了量子力學(xué)的不確定性原理，為安全性提供了更物理層面的保證。4.B*解析：量子力學(xué)的基本原理規(guī)定，對量子態(tài)的測量會不可避免地導(dǎo)致其波函數(shù)坍縮，改變其原有狀態(tài)。這是攻擊者無法完美復(fù)制量子態(tài)的根本原因。5.B*解析：側(cè)信道攻擊是指通過分析系統(tǒng)運(yùn)行時伴隨產(chǎn)生的其他信息（如電磁輻射、光功率波動、聲音等）來獲取敏感信息。光信號或電流信號的泄露就是典型的側(cè)信道攻擊。二、填空題6.信息論*解析：QKD協(xié)議通常被認(rèn)為是信息論安全的，這意味著其安全性基于信息論中的公理，即使攻擊者計(jì)算能力無限，也無法獲得比隨機(jī)猜測更好的密鑰質(zhì)量。7.1/2*解析：量子態(tài)|+?=(|0?+|1?)/√2與測量基{|0?,|1?}正交。測量結(jié)果為|0?或|1?的概率由態(tài)|+?在這兩個基上的投影模平方?jīng)Q定，均為|(1/√2)^2|=1/2。8.量子存儲*解析：為了防御竊聽者將量子態(tài)存儲起來待發(fā)送完后再測量的攻擊，需要引入時間戳或連續(xù)測量比較的方法，這涉及到對量子態(tài)進(jìn)行存儲和再比較的能力，即量子存儲。9.完美*解析：量子不可克隆定理嚴(yán)格表述為：不可能存在一個量子操作，它對一個未知量子態(tài)進(jìn)行操作，能夠產(chǎn)生一個與原始態(tài)完全相同的復(fù)制體。10.安全信道*解析：QKD的主要目標(biāo)是在生成密鑰階段就提供安全保障。由于量子態(tài)易受干擾，密鑰本身通常通過經(jīng)典信道安全傳輸，QKD負(fù)責(zé)確保生成的密鑰本身是安全的。三、簡答題11.簡述量子密鑰分發(fā)（QKD）的基本思想。它與經(jīng)典密鑰分發(fā)相比，主要的安全優(yōu)勢體現(xiàn)在哪里？*解析：QKD的基本思想是利用量子力學(xué)原理在通信雙方之間安全地協(xié)商一個共享的隨機(jī)密鑰，用于后續(xù)的經(jīng)典加密通信。其核心在于，任何對量子態(tài)的竊聽或測量都會不可避免地引入擾動，從而被合法通信雙方探測到。與經(jīng)典密鑰分發(fā)（如RSA、AES）依賴數(shù)學(xué)難題的安全性不同，QKD的安全性基于量子力學(xué)的基本定律，理論上可以抵抗包括未來量子計(jì)算機(jī)在內(nèi)的所有計(jì)算攻擊。其安全優(yōu)勢主要在于理論上的信息論安全性和對抗量子計(jì)算威脅的能力。12.請簡述BB84量子密鑰分發(fā)協(xié)議的主要步驟，包括密鑰生成過程和密鑰提取過程。*解析：BB84協(xié)議的密鑰生成過程主要包括：1）發(fā)送方（S）隨機(jī)選擇基（{|0?,|1?}或{|+?,|-?}），根據(jù)所選基制備對應(yīng)的量子態(tài)（|0?或|1?對應(yīng){|0?,|1?}基，|+?或|-?對應(yīng){|+?,|-?}基），并按此編碼發(fā)送量子比特流；2）接收方（R）隨機(jī)選擇相同的基（{|0?,|1?}或{|+?,|-?}）對收到的量子比特進(jìn)行測量；3）雙方公開協(xié)商（通過經(jīng)典信道）或比對各自選擇的測量基，只保留那些使用相同基進(jìn)行測量和發(fā)送的比特，這些比特構(gòu)成了共享的“原始密鑰串”。密鑰提取過程通常包括密鑰壓縮（減少密鑰長度）和錯誤率檢測與糾正（通過額外的輔助量子比特或經(jīng)典通信進(jìn)行），最終得到可用于加密的穩(wěn)定密鑰。13.什么是量子不可克隆定理？它為什么對于量子密碼學(xué)，特別是QKD的安全性至關(guān)重要？*解析：量子不可克隆定理指出，對于任意未知量子態(tài)，不可能存在一個量子操作，使得輸出是一個與輸入完全相同的復(fù)制體，即不能同時保證復(fù)制態(tài)與原始態(tài)完全相同且復(fù)制的量子態(tài)是處于原始態(tài)的某個正交投影態(tài)上。該定理對于量子密碼學(xué)，特別是QKD的安全性至關(guān)重要，因?yàn)槿绻粽吣軌蛲昝缽?fù)制傳輸?shù)牧孔討B(tài)，他們就可以在不破壞原始信號的情況下進(jìn)行竊聽，記錄下所有量子比特的狀態(tài)，然后將其恢復(fù)原狀發(fā)送給合法接收方，從而在不被發(fā)現(xiàn)的情況下獲得完整的密鑰。量子不可克隆定理保證了任何竊聽行為都會不可避免地改變被觀測量子態(tài)的狀態(tài)，從而被合法通信雙方通過比較部分共享信息或使用輔助量子比特來探測出來，從而保證了QKD的安全性。14.列舉至少三種QKD協(xié)議實(shí)際部署中可能面臨的挑戰(zhàn)或攻擊類型，并簡要說明其原理或防御思路。*解析：QKD實(shí)際部署中可能面臨的挑戰(zhàn)或攻擊類型包括：1）側(cè)信道攻擊：攻擊者通過測量系統(tǒng)運(yùn)行時產(chǎn)生的伴隨信息（如光功率波動、探測器響應(yīng)時間、電磁輻射等）來獲取密鑰信息。防御思路包括使用抗側(cè)信道攻擊的探測器、量子存儲器，或設(shè)計(jì)自身具有抗側(cè)信道能力的QKD協(xié)議。2）量子存儲攻擊（或時間延遲攻擊）：攻擊者在發(fā)送方發(fā)送完所有量子比特后，將其存儲起來，待合適時機(jī)再進(jìn)行測量以竊聽。防御思路包括使用連續(xù)測量QKD協(xié)議，通過比較前后測量的量子態(tài)相關(guān)性來檢測存儲行為，或引入時間戳協(xié)議。3）中繼攻擊（或竊聽-重發(fā)攻擊）：攻擊者在量子信道中放置一個量子中繼器，竊聽并存儲傳輸?shù)牧孔討B(tài)，然后利用量子存儲和轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)將其重新發(fā)送給合法接收方，同時向發(fā)送方發(fā)送未受干擾的量子態(tài)以掩蓋攻擊。防御思路包括使用基于糾纏的QKD協(xié)議（如E91），這種協(xié)議對中繼器的存在非常敏感，易于檢測；或采用雙向QKD協(xié)議，增加攻擊難度。四、論述題15.論述量子糾纏在量子信息科學(xué)（特別是量子通信領(lǐng)域）中的重要性，并選擇一個具體的應(yīng)用（如量子密鑰分發(fā)或量子隱形傳態(tài)），說明糾纏在其中扮演的角色。*解析：量子糾纏是量子力學(xué)中一種獨(dú)特的非定域關(guān)聯(lián)現(xiàn)象，兩個或多個糾纏粒子的狀態(tài)不能獨(dú)立描述，即使它們相隔遙遠(yuǎn)，測量其中一個粒子的狀態(tài)會瞬時影響到另一個粒子的狀態(tài)。這種特性使得糾纏在量子信息科學(xué)中具有極其重要的意義，特別是在量子通信領(lǐng)域，它為實(shí)現(xiàn)超越經(jīng)典通信的性能提供了基礎(chǔ)。以量子密鑰分發(fā)（QKD）為例，特別是E91協(xié)議，其核心就是利用了量子糾纏的特性。在E91協(xié)議中，發(fā)送方和接收方分別制備一對處于糾纏態(tài)（如Bell態(tài)）的粒子，并將其中一個粒子發(fā)送給接收方，另一個保留（或發(fā)送給第三方）。攻擊者無法在不破壞糾纏的情況下測量其中一個粒子，或者復(fù)制該粒子。當(dāng)接收方測量其粒子時，其測量結(jié)果會直接關(guān)聯(lián)到發(fā)送方粒子的狀態(tài)。通過比較雙方測量的結(jié)果（例如，統(tǒng)計(jì)貝爾不等式的違反程度），接收方可以判斷信道中是否存在攻擊者。如果存在竊聽，測量結(jié)果的相關(guān)性會減弱，貝爾不等式不會被顯著違反，從而可以探測到攻擊。因此，糾纏態(tài)粒子的非定域性及其對測量的敏感性，是E91協(xié)議能夠檢測竊聽并保證密鑰安全的核心物理基礎(chǔ)。16.隨著量子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)加密算法面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，而量子加密（QKD）被認(rèn)為是應(yīng)對這一威脅的重要手段。請討論QKD技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、面臨的主要技術(shù)瓶頸以及未來的發(fā)展方向。*解析：量子計(jì)算的發(fā)展，特別是Shor算法的提出，表明大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)可能破解目前廣泛使用的RSA、ECC等公鑰密碼體系，對信息安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。在此背景下，量子密鑰分發(fā)（QKD）作為一種提供信息論安全密鑰交換的方法，被認(rèn)為是應(yīng)對量子計(jì)算威脅的重要手段。QKD技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀表現(xiàn)為：1）核心協(xié)議（如BB84、E91）的理論研究日趨成熟；2）實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的QKD系統(tǒng)性能不斷提升，密鑰率、距離（通過中繼器）等指標(biāo)取得顯著進(jìn)展；3）部分QKD系統(tǒng)已開始進(jìn)入示范應(yīng)用和商業(yè)部署階段，特別是在銀行、政府、軍事等高安全需求領(lǐng)域。然而，QKD技術(shù)也面臨諸多主要技術(shù)瓶頸：1）傳輸距離限制：由于量子態(tài)（特別是光子）在光纖或自由空間中傳輸時會因損耗、噪聲和退相干而衰減，目前QKD的實(shí)用化距離主要受限于單光子傳輸距離，通常在百公里量級；2）成本與穩(wěn)定性：高性能的量子光源、探測器、調(diào)制器等核心器件成本高昂，系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定性、易用性仍有待提高；3）量子中繼器技術(shù)：實(shí)現(xiàn)長距離QKD需要可靠的量子中繼器，但目前中繼器