2025年大學(xué)《量子信息科學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——量子信息安全協(xié)議的量子隱傳驗(yàn)證考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)述量子密鑰分發(fā)（QKD）的基本原理及其相較于經(jīng)典密鑰分發(fā)的安全性優(yōu)勢(shì)。請(qǐng)說(shuō)明BB84協(xié)議中安全性依賴于哪些量子力學(xué)基本原理。二、描述量子隱傳（QuantumTeleportation）實(shí)現(xiàn)一個(gè)未知量子態(tài)傳輸?shù)幕具^(guò)程。請(qǐng)明確指出在此過(guò)程中所需的資源是什么，并簡(jiǎn)要解釋每個(gè)步驟的物理意義。三、連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)（CV-QKD）利用了哪些物理量（而非單量子比特）來(lái)實(shí)現(xiàn)量子信息的傳輸和密鑰分發(fā)的安全性？請(qǐng)簡(jiǎn)述基于量子隱傳的CV-QKD（如E91協(xié)議）與經(jīng)典隱傳協(xié)議在安全性證明上的主要區(qū)別。四、解釋“測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)”（MDI）量子密鑰分發(fā)協(xié)議的概念。為何MDI協(xié)議能夠抵抗側(cè)信道攻擊？MDI協(xié)議在實(shí)現(xiàn)上面臨哪些主要的挑戰(zhàn)？五、在量子隱傳驗(yàn)證中，貝爾不等式檢驗(yàn)扮演著怎樣的角色？請(qǐng)選擇一個(gè)具體的貝爾不等式（如CHSH不等式或GHZ不等式），簡(jiǎn)要說(shuō)明其形式，并解釋如何通過(guò)違反貝爾不等式來(lái)推斷非定域性。六、假設(shè)一個(gè)基于量子隱傳的CV-QKD協(xié)議在實(shí)際信道中存在噪聲。請(qǐng)簡(jiǎn)述噪聲（如光子數(shù)非整數(shù)噪聲、幅度噪聲）如何影響協(xié)議的性能參數(shù)（如密鑰率、錯(cuò)誤率）。協(xié)議設(shè)計(jì)中通常采用哪些策略來(lái)減輕噪聲的影響？七、比較基于量子隱傳的量子安全直接通信（QSDC）與傳統(tǒng)的QKD+經(jīng)典加密方案。QSDC的主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在哪些方面？實(shí)現(xiàn)QSDC面臨哪些當(dāng)前的技術(shù)瓶頸？八、如果要設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證特定距離上基于量子隱傳的QKD協(xié)議的安全性，你需要考慮哪些關(guān)鍵因素？請(qǐng)列舉至少三項(xiàng)，并簡(jiǎn)述其原因。試卷答案一、答案：量子密鑰分發(fā)（QKD）利用量子力學(xué)的基本原理（如不確定性原理、量子不可克隆定理）在通信雙方之間安全地協(xié)商一個(gè)共享的隨機(jī)密鑰。其安全性優(yōu)勢(shì)在于，任何竊聽(tīng)者的測(cè)量行為都會(huì)不可避免地干擾量子態(tài)，從而被合法用戶檢測(cè)到。例如，在BB84協(xié)議中，竊聽(tīng)者無(wú)法精確復(fù)制未知量子態(tài)（量子不可克隆定理），其測(cè)量必然會(huì)改變?cè)剂孔討B(tài)的狀態(tài)，導(dǎo)致合法用戶和竊聽(tīng)者之間密鑰的錯(cuò)誤率升高。BB84協(xié)議的安全性依賴于量子態(tài)的不可克隆性、測(cè)量塌縮特性以及密鑰流與量子傳輸?shù)慕壎ǎ疵荑€比特由合法用戶根據(jù)量子測(cè)量結(jié)果決定，竊聽(tīng)者無(wú)法直接獲知）。解析思路：首先要回答QKD的基本原理，即利用量子力學(xué)特性保證密鑰安全。然后具體到BB84協(xié)議，要指出其依賴的核心量子力學(xué)原理（不可克隆、測(cè)量塌縮），并說(shuō)明這些原理如何使得竊聽(tīng)行為可被檢測(cè)。二、答案：量子隱傳實(shí)現(xiàn)未知量子態(tài)傳輸?shù)幕具^(guò)程如下：首先，發(fā)送方（S）和接收方（R）共享一對(duì)處于糾纏態(tài)（如EPR對(duì)）的粒子，假設(shè)糾纏粒子為粒子1和粒子2。發(fā)送方擁有待傳輸?shù)奈粗孔討B(tài)|ψ?=α|0?+β|1?，并將其與粒子1進(jìn)行貝爾測(cè)量（或類似的聯(lián)合測(cè)量）。貝爾測(cè)量的結(jié)果（共有四種可能結(jié)果，與α和β有關(guān)）通過(guò)經(jīng)典信道傳輸給接收方。接收方根據(jù)收到的經(jīng)典信息，對(duì)其持有的粒子2施加相應(yīng)的幺正變換（U?），該變換與發(fā)送方測(cè)量的結(jié)果有關(guān)。經(jīng)過(guò)此操作后，接收方粒子2的狀態(tài)就變成了|ψ?，而發(fā)送方粒子1的狀態(tài)則變?yōu)閨0?或|1?的投影態(tài)，失去了原始信息。所需資源是一對(duì)預(yù)先共享的糾纏粒子。物理意義：發(fā)送方通過(guò)測(cè)量將待傳輸?shù)牧孔討B(tài)信息與糾纏粒子的信息進(jìn)行“分離”，并通過(guò)經(jīng)典信道將分離出的信息傳遞給接收方；接收方根據(jù)接收到的信息對(duì)本地粒子進(jìn)行操作，從而“重建”了原始的量子態(tài)。解析思路：按照隱傳的標(biāo)準(zhǔn)流程來(lái)描述：準(zhǔn)備糾纏對(duì)、發(fā)送方測(cè)量、經(jīng)典通信、接收方幺正操作。要明確說(shuō)明所需的資源（糾纏），并解釋每個(gè)步驟的作用（測(cè)量分離信息、經(jīng)典傳輸信息、幺正操作重建狀態(tài)），并點(diǎn)明物理圖像。三、答案：CV-QKD利用連續(xù)變量（如光子數(shù)、光子幅度或相位）的概率分布來(lái)實(shí)現(xiàn)安全。與經(jīng)典隱傳基于單量子比特測(cè)量結(jié)果的不同，基于量子隱傳的CV-QKD（如E91）利用了連續(xù)變量態(tài)（如光子波包）之間的量子關(guān)聯(lián)（糾纏）和測(cè)量引起的非定域效應(yīng)來(lái)證明安全性。E91協(xié)議的安全性證明結(jié)合了貝爾不等式的連續(xù)變量形式和測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)（MDI）的概念。其關(guān)鍵區(qū)別在于：經(jīng)典隱傳的安全性依賴于測(cè)量結(jié)果的不確定性或特定測(cè)量值的統(tǒng)計(jì)關(guān)聯(lián)；而CV-QKD的安全性則源于連續(xù)變量態(tài)的量子糾纏特性以及違反特定連續(xù)變量貝爾不等式所揭示的非定域性，并且能夠通過(guò)設(shè)計(jì)（如E91的旋轉(zhuǎn)測(cè)量）使得安全性不依賴于具體的測(cè)量設(shè)備參數(shù)。解析思路：先指出CV-QKD使用的物理量（連續(xù)變量）。然后將基于隱傳的CV-QKD（以E91為例）與經(jīng)典隱傳在安全性證明機(jī)制上對(duì)比：經(jīng)典隱傳依賴離散測(cè)量結(jié)果和關(guān)聯(lián)；CV-QKD依賴連續(xù)變量態(tài)的糾纏和連續(xù)變量貝爾不等式的違反，并強(qiáng)調(diào)其MDI特性。四、答案：測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)（MDI）量子密鑰分發(fā)協(xié)議是指其安全性證明不依賴于發(fā)送方和接收方所使用的具體測(cè)量設(shè)備參數(shù)（如探測(cè)器的效率、噪聲特性等）的假設(shè)。經(jīng)典QKD的安全性往往依賴于對(duì)測(cè)量設(shè)備性能的理想化假設(shè)，而竊聽(tīng)者可能通過(guò)使用性能更差的設(shè)備來(lái)規(guī)避檢測(cè)。MDI協(xié)議通過(guò)設(shè)計(jì)（例如，讓發(fā)送方和接收方各自獨(dú)立地隨機(jī)選擇測(cè)量基，并通過(guò)經(jīng)典信道協(xié)商出共同的基，或者采用更復(fù)雜的協(xié)議設(shè)計(jì)，如基于隨機(jī)旋轉(zhuǎn)的協(xié)議），使得最終密鑰的安全性僅取決于共享的糾纏資源質(zhì)量和量子信道的噪聲特性，而與雙方的測(cè)量設(shè)備細(xì)節(jié)無(wú)關(guān)。因此，MDI協(xié)議能抵抗因測(cè)量設(shè)備性能不佳或被惡意篡改而引入的攻擊。MDI協(xié)議的主要挑戰(zhàn)包括：需要更復(fù)雜的協(xié)議設(shè)計(jì)和更高質(zhì)量的糾纏資源；對(duì)量子信道噪聲更為敏感（因?yàn)樵肼晻?huì)同時(shí)影響糾纏和密鑰率）；實(shí)現(xiàn)上對(duì)光源、存儲(chǔ)器、測(cè)量和經(jīng)典通信設(shè)備的綜合性能要求更高。解析思路：先定義MDI。然后解釋其為何能抵抗側(cè)信道攻擊（安全性不依賴設(shè)備參數(shù)假設(shè)）。接著說(shuō)明實(shí)現(xiàn)MDI的主要挑戰(zhàn)（協(xié)議復(fù)雜度高、對(duì)糾纏質(zhì)量要求高、對(duì)信道噪聲更敏感、設(shè)備綜合性能要求高）。五、答案：貝爾不等式檢驗(yàn)在量子隱傳驗(yàn)證中用于判斷一個(gè)量子系統(tǒng)是否表現(xiàn)出非定域性，從而間接支持基于非定域性原理構(gòu)建的量子安全協(xié)議的安全性。貝爾不等式是局域?qū)嵲谡摽蚣芟聦?duì)兩個(gè)遠(yuǎn)方粒子關(guān)聯(lián)性的理論上限。如果實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果違反了貝爾不等式，則說(shuō)明現(xiàn)實(shí)世界不滿足局域?qū)嵲谡摷僭O(shè)，表明粒子之間存在非定域關(guān)聯(lián)，即存在量子糾纏。在量子隱傳驗(yàn)證中，通過(guò)在接收端進(jìn)行貝爾測(cè)量（通常是針對(duì)糾纏粒子的某些特定投影測(cè)量組合），并統(tǒng)計(jì)測(cè)量結(jié)果的關(guān)聯(lián)性，然后與貝爾不等式的理論值進(jìn)行比較。如果統(tǒng)計(jì)關(guān)聯(lián)顯著強(qiáng)于理論值，即違反了貝爾不等式，則可以認(rèn)為探測(cè)到了非定域性，這為基于該非定域性原理構(gòu)建的量子安全協(xié)議（如某些QKD協(xié)議或隱傳協(xié)議）提供了安全性基礎(chǔ)。以CHSH不等式為例，其形式通常為|E(α,β)+E(α,γ)+E(β,γ)-E(β,γ)|≤2√2，其中E(α,β)是測(cè)量基為α和β時(shí)得到的關(guān)聯(lián)函數(shù)值。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)測(cè)量獲取統(tǒng)計(jì)平均值，若|?E?|>2√2，則視為違反。違反貝爾不等式意味著遠(yuǎn)方粒子對(duì)的關(guān)聯(lián)性超出了經(jīng)典物理的極限，這種非定域性正是量子糾纏的體現(xiàn)，也是量子信息處理和安全通信的物理基礎(chǔ)。解析思路：首先說(shuō)明貝爾不等式檢驗(yàn)的作用（判斷非定域性，支持量子安全）。然后解釋檢驗(yàn)方法（貝爾測(cè)量、統(tǒng)計(jì)關(guān)聯(lián)、與不等式比較）。最后以CHSH為例，給出其數(shù)學(xué)形式，并解釋如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論值的比較來(lái)判定是否違反。六、答案：噪聲對(duì)基于量子隱傳的CV-QKD協(xié)議性能的影響主要體現(xiàn)在：1.降低糾纏純度：信道噪聲會(huì)逐漸降低預(yù)先共享糾纏光子對(duì)的純度，削弱其量子關(guān)聯(lián)性，從而限制協(xié)議能達(dá)到的安全距離和密鑰率。2.增加測(cè)量誤差：無(wú)論是光子探測(cè)器的不完美（如暗計(jì)數(shù)、鬼退相干、效率有限）還是其他噪聲源，都會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的不確定性和誤差增大，直接表現(xiàn)為測(cè)量錯(cuò)誤率（Pm）升高，進(jìn)而降低密鑰生成速率和最終密鑰的質(zhì)量（錯(cuò)誤糾正后密鑰率）。3.影響非定域性檢驗(yàn)：噪聲會(huì)污染貝爾不等式檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，使得實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的關(guān)聯(lián)性減弱，可能難以顯著地違反貝爾不等式，從而影響協(xié)議安全性的判定。協(xié)議設(shè)計(jì)中通常采用的策略包括：使用高純度、高相干的光源和存儲(chǔ)器來(lái)維持糾纏質(zhì)量；采用差分相干測(cè)量等對(duì)噪聲相對(duì)不敏感的測(cè)量方案；利用量子存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)測(cè)量延遲，以便進(jìn)行糾錯(cuò)和隱私放大等后處理操作來(lái)對(duì)抗噪聲和竊聽(tīng)；優(yōu)化編碼和調(diào)制方案以提升抗噪聲能力。解析思路：列舉噪聲影響的具體方面（糾纏純度、測(cè)量誤差、非定域性檢驗(yàn)）。然后針對(duì)每個(gè)方面說(shuō)明影響。最后重點(diǎn)闡述協(xié)議設(shè)計(jì)中用于減輕噪聲影響的常見(jiàn)技術(shù)手段（維持糾纏質(zhì)量、抗噪聲測(cè)量、量子存儲(chǔ)、糾錯(cuò)隱私放大、優(yōu)化方案）。七、答案：基于量子隱傳的量子安全直接通信（QSDC）與傳統(tǒng)的QKD+經(jīng)典加密方案相比，主要優(yōu)勢(shì)在于實(shí)現(xiàn)了端到端的通信安全，無(wú)需在通信雙方之間預(yù)先共享密鑰。在QSDC中，發(fā)送方直接利用量子態(tài)（如糾纏態(tài)或單量子比特態(tài)）及其與測(cè)量操作的非定域關(guān)聯(lián)來(lái)編碼信息，接收方通過(guò)測(cè)量和后處理直接獲得秘密信息，而不需要通過(guò)經(jīng)典信道傳輸密鑰。這意味著通信過(guò)程更加高效（避免了密鑰傳輸?shù)拈_(kāi)銷和延遲），并且理論上能夠抵抗更強(qiáng)大的攻擊（如側(cè)信道攻擊、量子存儲(chǔ)攻擊等，因?yàn)槊荑€協(xié)商過(guò)程本身就不存在）。實(shí)現(xiàn)QSDC面臨的主要技術(shù)瓶頸包括：對(duì)量子糾纏資源（如單光子源、高純度糾纏態(tài)）的高質(zhì)量要求；長(zhǎng)距離傳輸中糾纏的衰減和退相干問(wèn)題；復(fù)雜的測(cè)量和后處理過(guò)程（如基于隨機(jī)旋轉(zhuǎn)的測(cè)量、高維測(cè)量、以及必要的糾錯(cuò)和隱私放大步驟）；以及協(xié)議的安全距離和密鑰率目前仍受限等技術(shù)挑戰(zhàn)。解析思路：先對(duì)比兩者在安全機(jī)制和密鑰協(xié)商方面的核心區(qū)別，突出QSDC的優(yōu)勢(shì)（無(wú)需預(yù)共享密鑰、端到端安全、高效）。然后列舉實(shí)現(xiàn)QSDC面臨的主要技術(shù)難題（高質(zhì)量糾纏源、長(zhǎng)距離傳輸損耗、復(fù)雜測(cè)量后處理、安全距離與密鑰率限制）。八、答案：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證基于量子隱傳的QKD協(xié)議安全性的關(guān)鍵因素包括：1.糾纏源的質(zhì)量：需要確保產(chǎn)生的糾纏態(tài)具有足夠高的純度和糾纏度，以及足夠的糾纏光子數(shù)，這是協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)安全傳輸和密鑰分發(fā)的物理基礎(chǔ)。2.測(cè)量方案的設(shè)計(jì)與執(zhí)行：實(shí)驗(yàn)中采用的測(cè)量方案（如貝爾測(cè)量、旋轉(zhuǎn)測(cè)量等）必須與理論設(shè)計(jì)的協(xié)議一致，并且需要精確控制測(cè)量過(guò)程，同時(shí)要能夠精確測(cè)量和統(tǒng)計(jì)各種測(cè)量結(jié)果的概率分布。3.信道噪聲的評(píng)