2025年大學(xué)《量子信息科學(xué)》專業(yè)題庫——量子信息科學(xué)在信息安全中的新發(fā)展考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項字母填在括號內(nèi)）1.量子密鑰分發(fā)（QKD）能夠抵抗竊聽的核心理論基礎(chǔ)是（）。A.量子不可克隆定理B.海森堡不確定性原理C.量子疊加態(tài)D.貝爾不等式2.下列哪項技術(shù)是量子計算對現(xiàn)有公鑰密碼體系構(gòu)成威脅的主要途徑？（）A.大數(shù)分解B.哈希碰撞C.對稱加密破解D.側(cè)信道攻擊3.Grover算法的主要作用是（）。A.實現(xiàn)量子比特的高效制備B.加速對無序數(shù)據(jù)庫的搜索C.分解大整數(shù)D.實現(xiàn)量子密鑰的遠(yuǎn)程分發(fā)4.在BB84量子密鑰分發(fā)協(xié)議中，密鑰安全性的關(guān)鍵在于（）。A.量子信道的高帶寬B.發(fā)送方和接收方使用相同的隨機(jī)基C.量子存儲器技術(shù)的成熟度D.竊聽者無法確定使用的測量基5.后量子密碼學(xué)（PQC）研究的主要目標(biāo)是（）。A.實現(xiàn)比傳統(tǒng)量子密碼學(xué)更快的密鑰分發(fā)B.提升經(jīng)典計算機(jī)的破解難度C.使密碼體制在量子計算機(jī)面前保持安全D.減少密鑰的長度6.量子安全直接通信（QSDC）與QKD的主要區(qū)別在于（）。A.QSDC傳輸?shù)氖橇孔討B(tài)信息，QKD傳輸?shù)氖墙?jīng)典密鑰B.QSDC無需在發(fā)送方和接收方之間共享密鑰C.QSDC利用的是量子糾纏，QKD利用的是量子不可克隆定理D.QSDC目前成本更低7.下列哪項不屬于當(dāng)前量子密鑰分發(fā)（QKD）技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)？（）A.傳輸距離受限B.系統(tǒng)成本較高C.對環(huán)境噪聲敏感D.量子比特制備效率極高8.基于格的密碼體制是當(dāng)前后量子密碼學(xué)研究中哪種類型的典型代表？（）A.基于哈希B.基于多變量C.基于編碼D.基于格9.E91量子密鑰分發(fā)協(xié)議主要利用了量子力學(xué)中的（）來探測竊聽行為。A.量子隧穿效應(yīng)B.貝爾不等式違背C.量子退相干D.量子隱形傳態(tài)10.量子安全計算旨在（）。A.實現(xiàn)絕對的不可測性B.在量子計算機(jī)上執(zhí)行經(jīng)典安全算法C.保護(hù)計算過程中的數(shù)據(jù)隱私，使其在量子威脅下依然安全D.實現(xiàn)比經(jīng)典計算機(jī)更快的計算速度二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.量子密鑰分發(fā)（QKD）利用__________原理，確保密鑰分發(fā)的過程中即使存在竊聽者也無法被察覺。2.Shor算法能夠高效分解大整數(shù)，從而對基于大數(shù)分解的公鑰密碼體制（如__________）構(gòu)成嚴(yán)重威脅。3.Grover算法將無序數(shù)據(jù)庫的經(jīng)典搜索復(fù)雜度從__________降低到__________，對基于對稱密碼和哈希函數(shù)的安全體系帶來挑戰(zhàn)。4.后量子密碼學(xué)（PQC）的研究通常分為三個主要方向：基于格、基于編碼、基于__________和基于哈希。5.量子隨機(jī)數(shù)生成器利用量子態(tài)的__________特性，能夠產(chǎn)生真正隨機(jī)的數(shù)字序列，這是經(jīng)典隨機(jī)數(shù)生成器無法比擬的。6.為了克服量子密鑰分發(fā)（QKD）的距離限制，研究者正在探索__________QKD、自由空間QKD等新型傳輸方式。7.量子不可克隆定理指出，任何未知量子態(tài)都無法被精確復(fù)制，這一特性構(gòu)成了__________（一種QKD協(xié)議）的基礎(chǔ)。8.量子安全直接通信（QSDC）的目標(biāo)是在不預(yù)先共享密鑰的情況下，實現(xiàn)信息的__________傳輸。9.當(dāng)前的后量子密碼學(xué)標(biāo)準(zhǔn)（如NISTPQC項目）仍在評估和選型階段，尚未完全__________。10.量子安全認(rèn)證技術(shù)旨在利用量子特性，確保通信雙方的身份在量子環(huán)境下依然__________。三、簡答題（每題5分，共15分）1.簡述量子不可克隆定理的內(nèi)容及其在量子密碼學(xué)中的應(yīng)用意義。2.簡述Grover算法的基本思想，并說明其對現(xiàn)有密碼體制構(gòu)成的威脅。3.簡述當(dāng)前量子密鑰分發(fā)（QKD）技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)之一——環(huán)境噪聲干擾，及其可能對QKD安全性能產(chǎn)生的影響。四、論述題（每題10分，共20分）1.深入論述量子計算機(jī)的出現(xiàn)對當(dāng)前信息安全體系（特別是公鑰基礎(chǔ)設(shè)施）構(gòu)成的威脅，并簡要介紹幾種可能的應(yīng)對策略。2.探討量子安全計算（如量子數(shù)據(jù)庫搜索、量子哈希函數(shù)）在未來可能的應(yīng)用場景及其對信息安全領(lǐng)域帶來的變革。試卷答案一、選擇題1.A*解析：QKD的安全性主要建立在量子力學(xué)的基本原理之上，特別是量子不可克隆定理。該定理指出，無法精確復(fù)制一個未知的量子態(tài)，因此任何試圖竊聽并復(fù)制傳輸?shù)牧孔討B(tài)的行為都會不可避免地留下痕跡，從而被合法的發(fā)送方和接收方檢測到。2.A*解析：Shor算法是一種能夠在多項式時間內(nèi)分解大整數(shù)（特別是RSA體制所依賴的大整數(shù)）的量子算法。RSA的安全性基于大整數(shù)分解的困難性，Shor算法的突破性進(jìn)展意味著現(xiàn)有RSA系統(tǒng)面臨被量子計算機(jī)輕易破解的威脅。3.B*解析：Grover算法是一種量子算法，它可以將無序數(shù)據(jù)庫的經(jīng)典搜索效率從O(N)提升到O(√N(yùn))，其中N是數(shù)據(jù)庫中元素的數(shù)量。雖然提升倍數(shù)是平方根級別，但在密碼學(xué)中，這仍然意味著對基于隨機(jī)預(yù)言模型或類似假設(shè)的經(jīng)典算法（如對稱加密搜索、哈希函數(shù)搜索）的破解難度顯著降低。4.D*解析：BB84協(xié)議的安全性關(guān)鍵在于其使用的是兩種不同的量子基（基1和基2）來編碼信息，而竊聽者無法確定發(fā)送方使用的隨機(jī)基。如果竊聽者使用錯誤的測量基進(jìn)行測量，他將獲得大量錯誤信息，從而無法恢復(fù)出原始密鑰。5.C*解析：隨著量子計算技術(shù)的進(jìn)步，已知的許多經(jīng)典安全密碼體制（如RSA、ECC）將面臨被量子計算機(jī)有效破解的風(fēng)險。后量子密碼學(xué)的研究目的正是為了尋找或設(shè)計出即使在量子計算機(jī)存在的情況下依然能夠保證安全（抗量子攻擊）的密碼算法。6.B*解析：QKD的主要功能是安全地分發(fā)密鑰，而密鑰隨后可用于對稱加密或數(shù)字簽名。QSDC則旨在直接傳輸加密后的信息本身，無需預(yù)先共享密鑰。在QSDC中，即使存在竊聽者，也無法解密傳輸?shù)男畔?，因為解密密鑰從未在傳輸過程中暴露。7.D*解析：QKD技術(shù)雖然前景廣闊，但仍面臨諸多挑戰(zhàn)，如傳輸距離受限（受限于光信號衰減和量子態(tài)相干性）、系統(tǒng)成本較高、對環(huán)境噪聲（如電磁干擾、溫度波動）較為敏感等。量子比特制備效率不高是當(dāng)前量子計算領(lǐng)域普遍面臨的挑戰(zhàn)，但并非QKD技術(shù)本身面臨的主要問題。8.D*解析：后量子密碼學(xué)的研究方向主要包括基于格、基于編碼、基于多變量、基于哈希等幾種主要類別?；诟竦拿艽a體制利用了格理論中的難題（如最短向量問題SVP、最近向量問題CVP）來保證安全性，是當(dāng)前NISTPQC項目中備受關(guān)注的一類方案。9.B*解析：E91協(xié)議是一種基于貝爾不等式檢驗的QKD方案。它通過測量兩個糾纏光子對在空間不同方向上的投影，如果存在竊聽者，則測量結(jié)果會違背貝爾不等式，從而可以探測到竊聽行為。10.C*解析：量子安全計算的目標(biāo)不是追求計算速度，而是保護(hù)計算過程本身。它旨在設(shè)計出能夠在量子計算機(jī)上運行的計算任務(wù)（如數(shù)據(jù)庫搜索、哈希計算等），使得即使存在惡意量子觀察者或量子計算機(jī)攻擊者，也無法獲取計算過程中的任何有用信息，從而保證計算結(jié)果的機(jī)密性和數(shù)據(jù)的隱私安全。二、填空題1.量子不可克隆*解析：同選擇題第1題解析。2.RSA*解析：RSA是目前應(yīng)用最廣泛的公鑰密碼體制，其安全性基于大整數(shù)分解的困難性。Shor算法能夠高效分解大整數(shù)，直接威脅到RSA的生存。3.O(N),O(√N(yùn))*解析：Grover算法將經(jīng)典無序數(shù)據(jù)庫搜索復(fù)雜度從線性復(fù)雜度O(N)降低到平方根復(fù)雜度O(√N(yùn))。這意味著對對稱加密密鑰空間或哈希表進(jìn)行搜索的效率大大提高。4.多變量*解析：后量子密碼學(xué)主要研究四類密碼方案：基于格、基于編碼、基于多變量、基于哈希。這四類方案均被認(rèn)為具有抗量子特性。5.不可克隆性/疊加*解析：量子隨機(jī)數(shù)生成器利用了量子態(tài)的不可克隆性或量子疊加態(tài)的特性。任何嘗試測量或復(fù)制量子隨機(jī)數(shù)生成器的輸出都會不可避免地改變其狀態(tài)，從而無法被預(yù)測或重現(xiàn)，保證了隨機(jī)數(shù)的真隨機(jī)性。6.光子/自由空間*解析：光纖傳輸是QKD距離受限的主要原因之一。為了克服這一限制，研究者正在探索利用自由空間傳輸（如激光直接傳輸）或基于光子集成電路等技術(shù)來實現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的QKD。7.E91*解析：E91協(xié)議的設(shè)計核心就是利用量子不可克隆定理（或貝爾不等式）來探測竊聽。其測量策略能夠暴露任何試圖復(fù)制糾纏光子對的竊聽行為。8.安全*解析：量子安全直接通信（QSDC）的目標(biāo)是實現(xiàn)信息的機(jī)密傳輸，即確保即使信道存在竊聽者，信息內(nèi)容也無法被竊聽者獲取。9.標(biāo)準(zhǔn)化*解析：后量子密碼學(xué)作為一項新興技術(shù)，其標(biāo)準(zhǔn)制定過程是一個復(fù)雜且需要謹(jǐn)慎評估的全球性合作項目。NISTPQC項目雖然進(jìn)展迅速，但最終的標(biāo)準(zhǔn)化選定預(yù)計還需要一段時間。10.真實性/認(rèn)證性*解析：量子安全認(rèn)證技術(shù)的目的是利用量子特性（如糾纏、不可克隆性）來確保通信雙方的身份是真實的，防止身份偽造等攻擊，即使在量子攻擊者存在的情況下也能保持認(rèn)證的可靠性。三、簡答題1.量子不可克隆定理的內(nèi)容是：對于任何未知量子態(tài)，無法復(fù)制其完備信息，即不能創(chuàng)建一個與原始量子態(tài)完全相同的另一個量子態(tài)，且原始量子態(tài)在被測量后狀態(tài)會坍縮。在量子密碼學(xué)中，該定理的應(yīng)用意義在于它構(gòu)成了許多QKD協(xié)議（如E91）的安全基礎(chǔ)。如果竊聽者試圖攔截并復(fù)制傳輸?shù)牧孔討B(tài)（如單個光子），量子不可克隆定理保證了復(fù)制過程必然會失敗或改變原始量子態(tài)，從而在合法用戶檢測到異常之前暴露竊聽行為。2.Grover算法的基本思想是：它首先通過一系列量子操作將目標(biāo)狀態(tài)從均勻疊加態(tài)中“分離”出來，使其在測量時以高于平均概率出現(xiàn)。然后，利用量子相位反轉(zhuǎn)操作，增強(qiáng)目標(biāo)狀態(tài)的幅度，削弱非目標(biāo)狀態(tài)的幅度，從而在隨后的量子迭代中逐步“聚焦”到目標(biāo)狀態(tài)上。其計算復(fù)雜度為O(√N(yùn))，對于經(jīng)典算法是O(N)。在密碼學(xué)中，這意味著Grover算法可以顯著加速對對稱加密密鑰的搜索（將搜索空間減半并平方根優(yōu)化）和對哈希函數(shù)碰撞的搜索，從而對依賴這些搜索問題的經(jīng)典密碼體制（如對稱加密、哈希簽名）構(gòu)成嚴(yán)重威脅，使得密鑰長度需要相應(yīng)增加才能維持原有安全強(qiáng)度。3.環(huán)境噪聲是QKD系統(tǒng)面臨的主要挑戰(zhàn)之一。QKD依賴量子態(tài)的相干性進(jìn)行傳輸和測量，而環(huán)境中的各種因素（如溫度波動、電磁干擾、大氣擾動、光纖彎曲等）都可能引起量子態(tài)的退相干。退相干會使得傳輸?shù)牧孔颖忍兀ㄈ绻庾悠駪B(tài)）丟失原有的量子特性，導(dǎo)致合法用戶接收到的信號質(zhì)量下降。例如，在BB84協(xié)議中，退相干可能使得發(fā)送的|0?或|1?態(tài)被錯誤地測量為另一種基的態(tài)，增加誤碼率；在E91協(xié)議中，退相干可能模擬出貝爾不等式的違反，導(dǎo)致錯誤地判斷存在竊聽。因此，環(huán)境噪聲會直接影響QKD系統(tǒng)的誤碼率性能和最終的安全性，限制其實際應(yīng)用范圍。四、論述題1.量子計算機(jī)的出現(xiàn)對當(dāng)前信息安全體系，特別是基于大數(shù)分解和離散對數(shù)難題的公鑰基礎(chǔ)設(shè)施（PKI），構(gòu)成了根本性的威脅。Shor算法能夠在大多項式時間內(nèi)分解目前RSA、ECC等公鑰密碼體制所依賴的大整數(shù)，這意味著這些被廣泛應(yīng)用的加密和簽名方案將變得不再安全，大量的加密數(shù)據(jù)、數(shù)字簽名、身份認(rèn)證等信息可能被量子計算機(jī)輕易破解。應(yīng)對策略主要包括：一是發(fā)展抗量子密碼學(xué)（后量子密碼學(xué)，PQC），研究和部署基于格、編碼、多變量、哈希等難題的密碼算法，這些算法被認(rèn)為能夠抵抗已知的所有已知量子算法的攻擊；二是升級現(xiàn)有系統(tǒng)和基礎(chǔ)設(shè)施，逐步過渡到后量子密碼體制；三是探索量子密鑰分發(fā)（QKD）技術(shù)，利用量子力學(xué)原理實現(xiàn)密鑰的安全遠(yuǎn)程共享，為對稱加密提供抗量子保障。這些策略需要政府、產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的共同努力，以確保在量子計算時代信息安全不受威脅。2.量子安全計算（QSC）旨在利用量子計算機(jī)的特定能力（如Grover搜索、Shor分解）來執(zhí)行計算任務(wù)，同時保證計算過程的隱私和安全，使其免受量子攻擊。其未來可能的應(yīng)用場景包括：一是量子安全數(shù)據(jù)庫搜索，利用Grover算法可以在量子數(shù)據(jù)庫中更高效地查找信息，同時通過安全