2025年大學(xué)《量子信息科學(xué)》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——量子信息技術(shù)在運(yùn)輸安全監(jiān)控中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)述量子疊加和量子糾纏的基本概念，并說(shuō)明它們與經(jīng)典比特的主要區(qū)別。二、解釋量子不可克隆定理的含義及其在量子信息科學(xué)中的重要性。請(qǐng)結(jié)合量子通信或量子計(jì)算領(lǐng)域，說(shuō)明該定理帶來(lái)的挑戰(zhàn)或機(jī)遇。三、描述一個(gè)具體的量子算法（如Shor算法或Grover算法），解釋其基本原理，并簡(jiǎn)述該算法相比經(jīng)典算法在解決特定問(wèn)題上的優(yōu)勢(shì)。四、量子密鑰分發(fā)（QKD）被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)信息論安全通信的一種方式。請(qǐng)解釋QKD的基本原理，并說(shuō)明它如何利用量子力學(xué)的特性來(lái)保證密鑰分發(fā)的安全性。同時(shí)，討論QKD在實(shí)際應(yīng)用中可能面臨的主要挑戰(zhàn)。五、討論量子傳感器相比經(jīng)典傳感器在靈敏度、精度等方面可能具有的優(yōu)勢(shì)。請(qǐng)選擇一種具體的量子傳感器類(lèi)型（如NV色心、原子干涉儀等），簡(jiǎn)述其工作原理，并設(shè)想其在運(yùn)輸安全監(jiān)控（如自動(dòng)駕駛、橋梁健康監(jiān)測(cè)等）中的一種潛在應(yīng)用場(chǎng)景。六、分析將量子計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于解決復(fù)雜的運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題（如智能交通流調(diào)度、物流路徑規(guī)劃等）的潛力與可行性。請(qǐng)說(shuō)明量子計(jì)算在處理這類(lèi)問(wèn)題上可能帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，并討論當(dāng)前面臨的主要技術(shù)障礙。七、闡述量子信息技術(shù)在保障運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)信息安全方面的重要作用。請(qǐng)重點(diǎn)討論量子密碼學(xué)（特別是量子密鑰分發(fā)）如何提升交通控制系統(tǒng)、車(chē)聯(lián)網(wǎng)（V2X）通信等場(chǎng)景的安全水平，并分析其相對(duì)于傳統(tǒng)加密技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。八、設(shè)想一個(gè)未來(lái)場(chǎng)景，其中多種量子信息技術(shù)（如QKD、量子雷達(dá)、量子計(jì)算）被集成應(yīng)用于一個(gè)高度智能化的交通安全監(jiān)控體系中。請(qǐng)描述該系統(tǒng)的基本構(gòu)成，說(shuō)明各類(lèi)量子技術(shù)在其中扮演的角色，并探討該系統(tǒng)可能帶來(lái)的革命性變化及其對(duì)社會(huì)運(yùn)輸方式的影響。試卷答案一、解析思路：要求學(xué)生分別解釋量子疊加和糾纏的定義，并與經(jīng)典比特進(jìn)行對(duì)比。疊加強(qiáng)調(diào)量子態(tài)可以同時(shí)處于多種狀態(tài)的線(xiàn)性組合，而糾纏是兩個(gè)或多個(gè)量子比特之間存在一種無(wú)法用經(jīng)典物理解釋的關(guān)聯(lián)，測(cè)量其中一個(gè)會(huì)瞬間影響另一個(gè)的狀態(tài)。與經(jīng)典比特只能處于0或1兩種確定狀態(tài)形成對(duì)比，凸顯了量子態(tài)的奇特性質(zhì)。二、解析思路：考察學(xué)生對(duì)量子不可克隆定理的理解。核心是“任意未知量子態(tài)不能被精確復(fù)制”。重要性在于它構(gòu)成了量子力學(xué)的一個(gè)基本原理，并直接限制了某些量子信息處理過(guò)程，同時(shí)也為量子通信（如QKD）提供了安全保障（因?yàn)闊o(wú)法復(fù)制密鑰量子態(tài)，所以竊聽(tīng)會(huì)留下痕跡）。結(jié)合應(yīng)用領(lǐng)域，可以說(shuō)明它保護(hù)了量子密鑰分發(fā)的安全，或者限制了某些量子計(jì)算的攻擊方式。三、解析思路：要求學(xué)生選擇一個(gè)量子算法，清晰描述其原理。例如，選擇Shor算法，需說(shuō)明其利用量子并行性和相位演化在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)分解大整數(shù)，而經(jīng)典算法是指數(shù)復(fù)雜度?；蜻x擇Grover算法，需說(shuō)明其利用量子疊加和相位操作在平方根時(shí)間內(nèi)搜索無(wú)序數(shù)據(jù)庫(kù)。關(guān)鍵在于闡述其核心的量子機(jī)制以及相比經(jīng)典算法的時(shí)間復(fù)雜度優(yōu)勢(shì)。四、解析思路：考察QKD原理。核心是利用單光子量子態(tài)或糾纏光子對(duì)進(jìn)行密鑰分發(fā)，基于測(cè)量擾動(dòng)效應(yīng)（如海森堡不確定性原理）來(lái)探測(cè)竊聽(tīng)。安全性來(lái)源于任何竊聽(tīng)行為都會(huì)不可避免地干擾量子態(tài)，從而被合法雙方發(fā)現(xiàn)。挑戰(zhàn)可包括傳輸損耗、距離限制、光源和探測(cè)器的性能要求、側(cè)信道攻擊防護(hù)等。五、解析思路：考察量子傳感器的原理與應(yīng)用。學(xué)生需選擇一種傳感器類(lèi)型（如NV色心），說(shuō)明其利用量子spin管制或原子干涉等原理，對(duì)外界物理量（如磁場(chǎng)、壓力、振動(dòng)）產(chǎn)生高度敏感的響應(yīng)。應(yīng)用場(chǎng)景則要求學(xué)生結(jié)合運(yùn)輸安全，提出具體設(shè)想，如利用NV色心進(jìn)行高精度慣性測(cè)量（導(dǎo)航）、利用原子干涉儀進(jìn)行橋梁或結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)等。六、解析思路：考察量子計(jì)算在運(yùn)輸優(yōu)化中的應(yīng)用潛力。學(xué)生需論述量子優(yōu)化算法（如QAOA）理論上能處理高維、非線(xiàn)性的復(fù)雜優(yōu)化問(wèn)題，相比經(jīng)典算法可能提供更好的解或更快的搜索速度，適用于交通流、物流路徑等優(yōu)化。同時(shí)，也要認(rèn)識(shí)到當(dāng)前量子計(jì)算硬件尚不成熟，面臨算法效率、硬件穩(wěn)定性、錯(cuò)誤率控制等挑戰(zhàn)。七、解析思路：考察量子密碼學(xué)在運(yùn)輸安全中的應(yīng)用。重點(diǎn)在于QKD如何提供無(wú)條件安全或信息論安全的密鑰分發(fā)，保障交通控制指令、車(chē)輛間通信等關(guān)鍵信息傳輸?shù)陌踩?，防止被竊聽(tīng)或篡改。優(yōu)勢(shì)在于其安全性基于量子力學(xué)基本原理，理論上無(wú)法被任何計(jì)算能力破解，與對(duì)稱(chēng)加密或公鑰加密相比提供了更高的安全級(jí)別。八、解析思路：考察學(xué)生綜合運(yùn)用多種量子技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)想的能力。學(xué)生需構(gòu)建一個(gè)包含QKD（保障通信安全）、量子雷達(dá)/傳感器（提升探測(cè)精度和范圍）、量子