2025年大學(xué)《量子信息科學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——量子信息處理中的非局域量子通訊技術(shù)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題3分，共30分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)字母填入括號(hào)內(nèi)。）1.貝爾不等式是描述以下哪個(gè)物理量的不等式？(A)量子態(tài)的重構(gòu)概率(B)量子測(cè)量的不確定性(C)兩個(gè)粒子之間關(guān)聯(lián)程度的上限(D)量子相干性的保持時(shí)間2.EPR佯謬的主要目的是什么？(A)證明量子力學(xué)的概率性(B)揭示量子糾纏的非定域性(C)提出量子測(cè)量的不可逆性(D)預(yù)測(cè)量子隧穿效應(yīng)3.在BB84量子密鑰分發(fā)協(xié)議中，密鑰安全性主要依賴于量子力學(xué)的哪個(gè)基本原理？(A)量子疊加(B)量子不可克隆(C)量子退相干(D)量子隧穿4.下列哪項(xiàng)技術(shù)利用了量子糾纏實(shí)現(xiàn)信息的非定域傳輸？(A)量子密鑰分發(fā)(B)量子隱形傳態(tài)(C)量子計(jì)算(D)量子加密5.量子密鑰分發(fā)協(xié)議E91相較于BB84協(xié)議，其主要改進(jìn)在于如何提高安全性？(A)使用更復(fù)雜的編碼方案(B)引入糾纏粒子的時(shí)間基準(zhǔn)比對(duì)(C)增加密鑰生成速率(D)采用量子存儲(chǔ)器進(jìn)行密鑰保護(hù)6.對(duì)于量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，以下哪種攻擊方式可以繞過基于量子不可克隆定理的安全性證明？(A)截獲重放攻擊(B)側(cè)信道攻擊（如測(cè)量泄露）(C)量子測(cè)量攻擊（使用受控測(cè)量）(D)電磁泄露攻擊7.量子隱形傳態(tài)過程中，傳輸?shù)氖鞘裁矗?A)量子比特本身(B)量子態(tài)的信息(C)量子能量(D)量子糾纏8.實(shí)現(xiàn)量子密鑰分發(fā)所需的最基本條件之一是：(A)可靠的量子存儲(chǔ)器(B)低損耗的光纖信道(C)高效率的單光子探測(cè)器(D)強(qiáng)大的量子計(jì)算能力9.量子中繼器在量子通訊網(wǎng)絡(luò)中的作用主要是：(A)增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度(B)存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)量子態(tài)(C)加密傳輸信息(D)解碼接收信號(hào)10.非局域量子通訊區(qū)別于經(jīng)典通訊的最顯著特征是：(A)信息的傳輸速度更快(B)可以實(shí)現(xiàn)無條件安全通訊(C)通訊距離更遠(yuǎn)(D)可以同時(shí)傳輸更多比特信息二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填入橫線處。）1.貝爾不等式表明，如果量子力學(xué)是正確的，那么兩個(gè)關(guān)聯(lián)粒子測(cè)量的結(jié)果的相關(guān)性強(qiáng)度，_超過_（填“大于”、“小于”或“等于”）某種理論上的上限，這個(gè)上限由貝爾不等式給出。2.量子密鑰分發(fā)協(xié)議BB84中，用戶通過選擇不同的_基_（例如rectilinear或diagonal基）對(duì)量子態(tài)進(jìn)行測(cè)量來生成密鑰。3.量子隱形傳態(tài)的經(jīng)典通信輔助信道需要傳輸_2_比特的信息才能成功傳輸一個(gè)量子比特的狀態(tài)。4.量子不可克隆定理指出，_不可能_（填“可能”或“不可能”）復(fù)制一個(gè)任意的未知量子態(tài)，而保持原始量子態(tài)的不確定性。5.當(dāng)量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)受到側(cè)信道攻擊時(shí)，攻擊者可能通過測(cè)量設(shè)備的_輻射_、_熱量_等物理量來獲取密鑰信息。三、簡(jiǎn)答題（每題8分，共32分。請(qǐng)簡(jiǎn)要回答下列問題。）1.簡(jiǎn)述貝爾不等式與EPR佯謬之間的關(guān)系。2.簡(jiǎn)要說明量子密鑰分發(fā)（QKD）的基本原理及其安全性優(yōu)勢(shì)。3.描述量子隱形傳態(tài)的基本過程，并說明其與經(jīng)典信息傳輸有何不同。4.簡(jiǎn)述實(shí)現(xiàn)量子密鑰分發(fā)所面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)。四、論述題（每題15分，共30分。請(qǐng)結(jié)合所學(xué)知識(shí)，詳細(xì)論述下列問題。）1.試分析當(dāng)前量子密鑰分發(fā)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用所需要克服的關(guān)鍵障礙。2.結(jié)合量子糾纏的特性，論述非局域量子通訊技術(shù)在構(gòu)建未來量子互聯(lián)網(wǎng)中的潛在作用和面臨的挑戰(zhàn)。試卷答案一、選擇題1.(C)2.(B)3.(B)4.(B)5.(B)6.(C)7.(B)8.(C)9.(B)10.(B)二、填空題1.大于2.基3.24.不可能5.輻射、熱量三、簡(jiǎn)答題1.解析思路：貝爾不等式是一個(gè)理論預(yù)測(cè)，它給出了在定域?qū)嵲谡摽蚣芟拢瑑蓚€(gè)分離的粒子測(cè)量的關(guān)聯(lián)性的上限。EPR佯謬通過一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，指出如果量子力學(xué)是完備的（即包含隱變量理論），那么這種關(guān)聯(lián)性必然超過貝爾不等式的上限。然而，大量的實(shí)驗(yàn)（如阿蘭·阿斯佩的實(shí)驗(yàn)）已經(jīng)證明，量子力學(xué)的預(yù)測(cè)是正確的，關(guān)聯(lián)性確實(shí)可以超過貝爾不等式，這與定域?qū)嵲谡撓嗝?，從而支持了量子力學(xué)的非定域性解釋。因此，貝爾不等式為實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)量子力學(xué)的非定域性提供了判據(jù)，EPR佯謬則提出了這個(gè)判據(jù)所要檢驗(yàn)的問題。答案要點(diǎn)：貝爾不等式給出定域?qū)嵲谡撓玛P(guān)聯(lián)性的上限；EPR佯謬指出量子力學(xué)預(yù)測(cè)的關(guān)聯(lián)性可超過此上限；實(shí)驗(yàn)證明量子力學(xué)正確，支持非定域性；貝爾不等式是檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。2.解析思路：QKD的基本原理利用了量子力學(xué)的不可克隆定理和測(cè)量塌縮特性。發(fā)送方（S）制備一個(gè)未知量子態(tài)，并使用隨機(jī)選擇的基對(duì)它編碼發(fā)送給接收方（R）。接收方使用與發(fā)送方相同的基進(jìn)行測(cè)量。由于量子不可克隆定理，攻擊者（Eve）無法在不破壞原始量子態(tài)的前提下復(fù)制所有可能的量子態(tài)用于測(cè)量和干擾。當(dāng)S和R使用相同基測(cè)量時(shí)，他們能獲得部分共同密鑰。通過比較部分公共測(cè)量結(jié)果（稱為“共同隨機(jī)比對(duì)”），雙方可以驗(yàn)證傳輸?shù)拿荑€是否受到干擾，并丟棄被攻擊的密鑰部分，從而實(shí)現(xiàn)無條件安全（對(duì)抗竊聽者擁有無限計(jì)算資源的前提下的安全）。答案要點(diǎn)：基于量子不可克隆定理；發(fā)送方隨機(jī)編碼發(fā)送；接收方測(cè)量；攻擊者無法復(fù)制量子態(tài)干擾；通過公共比對(duì)驗(yàn)證密鑰安全性；實(shí)現(xiàn)無條件安全。3.解析思路：量子隱形傳態(tài)的基本過程通常需要三個(gè)參與者：發(fā)送方（S）、接收方（R）和一個(gè)共享糾纏對(duì)（通常通過EPR對(duì)制備，粒子分別位于S和R處）。過程如下：S對(duì)其持有的未知量子態(tài)（待傳輸?shù)牧孔討B(tài)，稱為Ψ）和一個(gè)處于某種糾纏態(tài)（如|Φ??=(|00?+|11?)/√2）的粒子進(jìn)行聯(lián)合測(cè)量；S將測(cè)量結(jié)果通過經(jīng)典信道通知R；根據(jù)S的測(cè)量結(jié)果和糾纏態(tài)的性質(zhì)，R對(duì)其持有的糾纏粒子進(jìn)行一個(gè)特定的單量子比特幺正操作（U?）。最終，R持有的量子態(tài)就變成了原始的未知量子態(tài)Ψ，而S和R各自持有的粒子處于確定的純態(tài)（例如S處為|0?或|1?，R處為|0?或|1?，具體取決于S的測(cè)量結(jié)果）。這與經(jīng)典信息傳輸不同，經(jīng)典信息傳輸直接傳輸物理載體或其副本，而量子隱形傳態(tài)傳輸?shù)氖橇孔討B(tài)的信息，物理載體本身并未發(fā)生宏觀意義上的移動(dòng)，且傳輸?shù)氖歉怕史畔?。答案要點(diǎn)：需要共享糾纏對(duì)；S對(duì)未知態(tài)和糾纏粒子聯(lián)合測(cè)量；S通過經(jīng)典信道傳結(jié)果；R根據(jù)結(jié)果對(duì)持有粒子做幺正操作；R得到原始未知態(tài)；傳輸?shù)氖切畔⒍橇Ｗ颖旧?；與經(jīng)典傳輸機(jī)制不同。4.解析思路：實(shí)現(xiàn)QKD面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)包括：信道損耗，特別是對(duì)于光纖傳輸，損耗會(huì)限制QKD的傳輸距離；噪聲，包括光纖本身的噪聲、環(huán)境噪聲以及探測(cè)器噪聲，會(huì)降低QKD系統(tǒng)的誤碼率，影響密鑰生成速率和安全性；探測(cè)器的效率，理想的單光子探測(cè)器效率為100%，但實(shí)際探測(cè)器的效率較低，尤其是在單光子水平，這會(huì)顯著影響密鑰生成速率；同步問題，QKD系統(tǒng)中的各種操作（如脈沖發(fā)射、探測(cè)）需要精確同步；真實(shí)世界攻擊，即攻擊者可能不僅僅是竊聽，還可能進(jìn)行主動(dòng)攻擊（如誘騙攻擊、重放攻擊、側(cè)信道攻擊）等。這些挑戰(zhàn)需要通過各種技術(shù)手段（如中繼器、改進(jìn)編碼方案、抗干擾技術(shù)）來克服。答案要點(diǎn)：信道損耗限制距離；各種噪聲影響性能；探測(cè)器效率低；系統(tǒng)同步復(fù)雜；真實(shí)世界攻擊多樣；需要相應(yīng)技術(shù)克服。四、論述題1.解析思路：論述QKD走向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵障礙，需要從技術(shù)、成本、標(biāo)準(zhǔn)化和集成等多個(gè)維度進(jìn)行分析。技術(shù)層面，主要是傳輸距離受限（受光纖損耗和噪聲影響，目前單段傳輸距離約100-200公里，需中繼器，但量子中繼器技術(shù)復(fù)雜且不成熟）、密鑰率與距離的矛盾、對(duì)高效率單光子源/探測(cè)器/存儲(chǔ)器的需求。成本層面，高性能QKD設(shè)備目前價(jià)格昂貴，難以大規(guī)模部署。標(biāo)準(zhǔn)化層面，QKD系統(tǒng)缺乏統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，不同系統(tǒng)間互操作性差。集成層面，如何將QKD安全層無縫集成到現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施（如電信網(wǎng)絡(luò)）中，實(shí)現(xiàn)安全的端到端通訊，是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。此外，還需要解決長(zhǎng)期穩(wěn)定性、維護(hù)等問題。答案要點(diǎn)：技術(shù)障礙：傳輸距離有限、密鑰率距離矛盾、對(duì)高性能器件需求；成本障礙：設(shè)備昂貴；標(biāo)準(zhǔn)化障礙：缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、互操作差；集成障礙：與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)融合困難；其他：長(zhǎng)期穩(wěn)定性、維護(hù)。2.解析思路：論述非局域量子通訊在量子互聯(lián)網(wǎng)中的作用和挑戰(zhàn)，應(yīng)突出量子糾纏的核心作用。潛在作用：構(gòu)建真正意義上的無條件安全通訊網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)無法被竊聽或破解的加密；實(shí)現(xiàn)超越經(jīng)典極限的量子密集編碼，在有限信道中傳輸更多信息；作為量子計(jì)算和量子傳感網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)分布式量子計(jì)算和遠(yuǎn)程量子傳感。面臨的挑戰(zhàn)：如前所述，QKD和量子隱形傳態(tài)等技術(shù)本身的技術(shù)瓶頸（距離、速率、成本、穩(wěn)定性）；構(gòu)建大規(guī)模量子通訊網(wǎng)絡(luò)需要復(fù)雜的量子中繼器和量子存儲(chǔ)器技術(shù)，目前仍處于早期研究階段；網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)、路由協(xié)議、多用戶管理、與經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)的接口等