2025年大學(xué)《量子信息科學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——量子信息科學(xué)的研究現(xiàn)狀考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋（每小題4分，共20分）1.NISQ2.量子密鑰分發(fā)(QKD)3.量子隱形傳態(tài)4.量子糾纏5.星地量子通信二、簡(jiǎn)答題（每小題8分，共40分）1.簡(jiǎn)述當(dāng)前主流量子計(jì)算物理平臺(tái)之一（如超導(dǎo)量子計(jì)算）面臨的主要挑戰(zhàn)。2.比較量子計(jì)算和經(jīng)典計(jì)算在處理特定問(wèn)題（如大數(shù)分解）上的基本原理差異。3.簡(jiǎn)述量子傳感技術(shù)相較于傳統(tǒng)傳感器的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。4.描述量子互聯(lián)網(wǎng)的主要組成部分及其構(gòu)建面臨的關(guān)鍵技術(shù)難題。5.列舉并簡(jiǎn)要說(shuō)明量子信息科學(xué)領(lǐng)域近五年內(nèi)的兩項(xiàng)重大研究進(jìn)展。三、論述題（每小題15分，共45分）1.分析當(dāng)前量子計(jì)算處于“NISQ”時(shí)代的主要特征，并探討其在實(shí)際應(yīng)用方面面臨的核心挑戰(zhàn)以及可能的應(yīng)對(duì)策略。2.結(jié)合具體實(shí)例，論述量子通信（特別是量子密鑰分發(fā)）的研究現(xiàn)狀及其在未來(lái)信息安全保障中的作用和前景。3.闡述量子信息科學(xué)與其他學(xué)科（如材料科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、密碼學(xué)等）交叉融合的研究趨勢(shì)，并舉例說(shuō)明這種融合可能帶來(lái)的突破。試卷答案一、名詞解釋1.NISQ(NoisyIntermediate-ScaleQuantum):指當(dāng)前量子計(jì)算發(fā)展階段，其量子比特?cái)?shù)量和質(zhì)量尚不足以實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)量子計(jì)算，但已足夠展示超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的特定量子算法潛力，系統(tǒng)易受噪聲干擾。**解析思路：*考察對(duì)當(dāng)前量子計(jì)算發(fā)展階段的定義和理解。需掌握NISQ的含義，即規(guī)模介于小型和容錯(cuò)之間，潛力與挑戰(zhàn)并存，且噪聲是主要限制因素。2.量子密鑰分發(fā)(QKD):利用量子力學(xué)原理（如海森堡不確定性原理、量子不可克隆定理）進(jìn)行密鑰協(xié)商，確保密鑰分發(fā)的安全性，任何竊聽(tīng)行為都會(huì)被察覺(jué)。**解析思路：*考察對(duì)QKD基本原理和目的的理解。需掌握其核心是基于量子力學(xué)特性而非計(jì)算復(fù)雜性，目的是實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)陌踩荑€安全）。3.量子隱形傳態(tài):一種利用量子糾纏和經(jīng)典通信將一個(gè)粒子的未知量子態(tài)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)遙遠(yuǎn)粒子的過(guò)程，傳輸?shù)氖橇孔討B(tài)本身，而非物質(zhì)或信息本身（信息仍需經(jīng)典信道傳輸）。**解析思路：*考察對(duì)量子隱形傳態(tài)概念和核心要素的理解。需掌握其利用了量子糾纏這一特性，傳輸?shù)氖菭顟B(tài)而非粒子，且需要經(jīng)典通信輔助。4.量子糾纏:兩個(gè)或多個(gè)量子粒子之間存在的一種特殊關(guān)聯(lián)狀態(tài)，即使相隔遙遠(yuǎn)，測(cè)量其中一個(gè)粒子的狀態(tài)會(huì)瞬時(shí)影響到另一個(gè)粒子的狀態(tài)，無(wú)法用經(jīng)典物理解釋。**解析思路：*考察對(duì)量子糾纏基本概念的理解。需掌握其“非定域性”、“瞬時(shí)關(guān)聯(lián)”等關(guān)鍵特征，以及其是量子信息科學(xué)許多應(yīng)用（如量子計(jì)算、量子通信）的基礎(chǔ)。5.星地量子通信:利用地球軌道衛(wèi)星與地面站或低軌道飛行器進(jìn)行量子信息的傳輸，主要應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)廣域量子密鑰分發(fā)或量子隱形傳態(tài)，是構(gòu)建量子互聯(lián)網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)。**解析思路：*考察對(duì)星地量子通信應(yīng)用場(chǎng)景的理解。需掌握其主要形式（QKD、量子隱形傳態(tài)）、實(shí)現(xiàn)方式（利用衛(wèi)星作為中繼或信源）以及其在量子信息網(wǎng)絡(luò)中的戰(zhàn)略地位。二、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述當(dāng)前主流量子計(jì)算物理平臺(tái)之一（如超導(dǎo)量子計(jì)算）面臨的主要挑戰(zhàn)。*答：主要挑戰(zhàn)包括：①量子比特相干時(shí)間有限，易受環(huán)境噪聲干擾；②量子比特操控精度不夠，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的量子邏輯門序列；③量子比特之間相互作用控制困難，難以構(gòu)建大規(guī)模、可擴(kuò)展的量子計(jì)算器；④錯(cuò)誤率較高，且缺乏高效的量子糾錯(cuò)方案；⑤系統(tǒng)集成和規(guī)?；圃祀y度大，成本高昂。**解析思路：*考察對(duì)主流量子計(jì)算平臺(tái)（以超導(dǎo)為例）當(dāng)前實(shí)際面臨的技術(shù)瓶頸的理解。需從量子比特本身的質(zhì)量（相干性、操控性）、相互作用、錯(cuò)誤率和系統(tǒng)工程（集成、制造、成本）等多個(gè)維度進(jìn)行闡述。2.比較量子計(jì)算和經(jīng)典計(jì)算在處理特定問(wèn)題（如大數(shù)分解）上的基本原理差異。*答：經(jīng)典計(jì)算通過(guò)算法迭代（如試除法）逐步嘗試所有可能的因數(shù)，其復(fù)雜度隨數(shù)字規(guī)模呈指數(shù)增長(zhǎng)，對(duì)于大數(shù)分解效率極低。量子計(jì)算利用量子比特的疊加和量子糾纏特性，能夠并行處理大量可能性，通過(guò)特定算法（如Shor算法）將大數(shù)分解問(wèn)題的復(fù)雜度降低到多項(xiàng)式級(jí)別，從而在理論上能高效解決經(jīng)典計(jì)算難以處理的問(wèn)題。**解析思路：*考察對(duì)量子計(jì)算與經(jīng)典計(jì)算在算法效率上的根本差異的理解。需對(duì)比經(jīng)典算法的逐次嘗試（指數(shù)復(fù)雜度）與量子算法利用量子特性實(shí)現(xiàn)并行處理（多項(xiàng)式復(fù)雜度）的機(jī)制，并結(jié)合具體實(shí)例（大數(shù)分解/Shor算法）說(shuō)明。3.簡(jiǎn)述量子傳感技術(shù)相較于傳統(tǒng)傳感器的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。*答：量子傳感的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)主要源于利用量子系統(tǒng)的敏感性。①極高的靈敏度：量子傳感器（如原子干涉儀、NV色心）可以探測(cè)到極其微弱的信號(hào)（如磁場(chǎng)、引力波、溫度變化），遠(yuǎn)超傳統(tǒng)傳感器；②優(yōu)異的抗干擾能力：通過(guò)精心設(shè)計(jì)的量子態(tài)（如利用糾纏態(tài)），可以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境噪聲的抑制或補(bǔ)償；③全新的傳感維度：可以利用量子系統(tǒng)的特殊性質(zhì)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)傳感器無(wú)法探測(cè)的物理量測(cè)量。**解析思路：*考察對(duì)量子傳感核心優(yōu)勢(shì)的理解。需圍繞“量子特性帶來(lái)優(yōu)越性能”這一核心，從靈敏度、抗干擾能力和傳感維度三個(gè)方面進(jìn)行闡述，并可以簡(jiǎn)單提及具體量子傳感器的例子。4.描述量子互聯(lián)網(wǎng)的主要組成部分及其構(gòu)建面臨的關(guān)鍵技術(shù)難題。*答：量子互聯(lián)網(wǎng)主要由量子資源層（包括量子比特、量子糾纏源）、量子網(wǎng)絡(luò)層（量子信道、量子中繼器）和應(yīng)用層（各種量子信息服務(wù)）組成。構(gòu)建面臨的關(guān)鍵技術(shù)難題包括：①實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高質(zhì)量、低損耗的量子糾纏分發(fā)；②研制高性能、小型化的量子中繼器，解決量子信道的傳輸距離瓶頸；③開(kāi)發(fā)可靠的量子存儲(chǔ)器，用于量子信息的交換和路由；④構(gòu)建安全的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，并實(shí)現(xiàn)基于量子資源的新型量子應(yīng)用（如分布式量子計(jì)算、量子加密）。**解析思路：*考察對(duì)量子互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)和挑戰(zhàn)的理解。需能描述其基本構(gòu)成要素，并準(zhǔn)確指出當(dāng)前實(shí)現(xiàn)量子互聯(lián)網(wǎng)所遇到的技術(shù)瓶頸，如傳輸、中繼、存儲(chǔ)等關(guān)鍵技術(shù)難題。5.列舉并簡(jiǎn)要說(shuō)明量子信息科學(xué)領(lǐng)域近五年內(nèi)的兩項(xiàng)重大研究進(jìn)展。*答：示例1：谷歌宣布實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”，其Sycamore量子計(jì)算機(jī)在特定問(wèn)題上較最先進(jìn)的超算速度快了百萬(wàn)倍，推動(dòng)了NISQ時(shí)代量子計(jì)算的實(shí)證研究。示例2：中國(guó)成功發(fā)射“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)了星地量子密鑰分發(fā)和量子隱形傳態(tài)，為構(gòu)建全球規(guī)模的量子互聯(lián)網(wǎng)奠定了基礎(chǔ)。**解析思路：*考察學(xué)生對(duì)量子信息領(lǐng)域前沿動(dòng)態(tài)的關(guān)注程度。要求能列舉出近五年內(nèi)具有代表性的、影響較大的研究成果或事件，并對(duì)其意義或特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。答案具有開(kāi)放性，選取合適的即可。三、論述題1.分析當(dāng)前量子計(jì)算處于“NISQ”時(shí)代的主要特征，并探討其在實(shí)際應(yīng)用方面面臨的核心挑戰(zhàn)以及可能的應(yīng)對(duì)策略。*答：NISQ時(shí)代的主要特征是：①量子比特?cái)?shù)量有限（通常在幾十到幾百量級(jí)）；②量子比特質(zhì)量不高（相干時(shí)間短、錯(cuò)誤率高）；③可擴(kuò)展性差（增加比特難度大、易引入更多噪聲）。這些特征導(dǎo)致NISQ設(shè)備在通用計(jì)算上難以超越最先進(jìn)的經(jīng)典計(jì)算機(jī)，但在特定算法（如模擬量子系統(tǒng)、優(yōu)化問(wèn)題、隨機(jī)化算法）上可能展現(xiàn)優(yōu)勢(shì)。面臨的核心挑戰(zhàn)包括：如何充分利用NISQ設(shè)備的獨(dú)特性進(jìn)行有價(jià)值的計(jì)算；如何有效抑制噪聲，提升量子操作的保真度；如何開(kāi)發(fā)適用于NISQ設(shè)備的量子算法和軟件棧；如何進(jìn)行準(zhǔn)確的性能評(píng)估和錯(cuò)誤緩解。可能的應(yīng)對(duì)策略包括：聚焦于NISQ擅長(zhǎng)的特定應(yīng)用領(lǐng)域；發(fā)展噪聲抑制技術(shù)（如脈沖整形、錯(cuò)誤緩解編碼）；探索新的量子算法范式；構(gòu)建更友好的量子編程環(huán)境和開(kāi)發(fā)工具；逐步發(fā)展容錯(cuò)量子計(jì)算技術(shù)。**解析思路：*考察對(duì)NISQ階段全面、深入的理解。需要能準(zhǔn)確描述NISQ的定義和主要特點(diǎn)，分析其在通用計(jì)算上的局限性以及在特定任務(wù)上的潛力，識(shí)別當(dāng)前面臨的核心技術(shù)難題（性能、噪聲、算法、軟件、可擴(kuò)展性），并能提出有見(jiàn)地的應(yīng)對(duì)策略或研究方向。2.結(jié)合具體實(shí)例，論述量子通信（特別是量子密鑰分發(fā)）的研究現(xiàn)狀及其在未來(lái)信息安全保障中的作用和前景。*答：量子通信，特別是QKD，利用量子力學(xué)原理保證了密鑰分發(fā)的安全性。當(dāng)前研究現(xiàn)狀包括：①基于糾纏光子對(duì)的QKD協(xié)議（如E91）實(shí)現(xiàn)了更高級(jí)別的安全性證明，抵抗了更復(fù)雜的攻擊；②星地量子通信取得重大突破，如“墨子號(hào)”衛(wèi)星成功實(shí)現(xiàn)了千公里級(jí)的QKD，為構(gòu)建全球范圍的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)提供了可能；③地面量子通信網(wǎng)絡(luò)在部分城市開(kāi)始試點(diǎn)和應(yīng)用，覆蓋范圍和用戶數(shù)量逐步增加；④研究重點(diǎn)從基礎(chǔ)理論向工程化應(yīng)用轉(zhuǎn)變，關(guān)注如何提高QKD的傳輸距離、穩(wěn)定性、實(shí)用性和成本效益。QKD在未來(lái)信息安全保障中具有重要作用，可以提供理論上的無(wú)條件安全密鑰，解決經(jīng)典密碼體系面臨的數(shù)學(xué)破譯風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)用于政府、軍事、金融等高安全需求領(lǐng)域。其前景在于，隨著技術(shù)的不斷成熟和成本下降，量子通信有望成為未來(lái)信息安全體系的重要組成部分，構(gòu)建更加安全的通信基礎(chǔ)設(shè)施。**解析思路：*考察對(duì)QKD技術(shù)現(xiàn)狀、作用和前景的綜合理解和論述能力。需要結(jié)合具體實(shí)例（如E91協(xié)議、墨子號(hào)衛(wèi)星、地面網(wǎng)絡(luò)試點(diǎn)），說(shuō)明QKD技術(shù)的發(fā)展進(jìn)展，分析其在信息安全領(lǐng)域的獨(dú)特價(jià)值，并展望其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用前景。3.闡述量子信息科學(xué)與其他學(xué)科（如材料科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、密碼學(xué)等）交叉融合的研究趨勢(shì)，并舉例說(shuō)明這種融合可能帶來(lái)的突破。*答：量子信息科學(xué)正與多個(gè)學(xué)科深度融合，呈現(xiàn)出顯著的交叉研究趨勢(shì)。①與材料科學(xué)融合：通過(guò)設(shè)計(jì)和制備具有特定量子態(tài)或量子特性的新材料（如拓?fù)洳牧稀⒘孔狱c(diǎn)、超導(dǎo)材料），為量子比特和量子器件的制造提供基礎(chǔ)；②與計(jì)算機(jī)科學(xué)融合：推動(dòng)量子算法、量子編程語(yǔ)言、量子軟件棧的發(fā)展，并探索量子計(jì)算對(duì)人工智能、大數(shù)據(jù)處理等領(lǐng)域的潛在影響；③與密碼學(xué)融合：不僅發(fā)展QKD，還探索基于量子現(xiàn)象的新型密碼學(xué)原理（如量子簽名、量子認(rèn)證），構(gòu)建更安全的密碼體系；④與其他學(xué)科（如物理、化學(xué)、生物學(xué)）融合：利用量子計(jì)算模擬復(fù)雜分子和化學(xué)反應(yīng)，加速新藥研發(fā)