2025年大學《量子信息科學》專業(yè)題庫——量子信息網(wǎng)絡理論考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的代表字母填在括號內(nèi)）1.下列哪一項不是量子信息網(wǎng)絡區(qū)別于經(jīng)典信息網(wǎng)絡的基本特征？A.利用量子比特（Qubit）進行信息傳輸和處理B.能夠實現(xiàn)無條件安全通信C.受到量子力學基本原理（如測不準原理、不可克隆定理）的制約D.可以利用經(jīng)典比特進行所有操作2.在量子通信中，通常使用（）來衡量量子信道的質量。A.信號功率B.誤碼率C.量子保真度D.信道帶寬3.BB84量子密鑰分發(fā)協(xié)議的安全性主要基于以下哪個原理？A.量子測量的隨機性B.量子不可克隆定理C.海森堡測不準原理D.信息論安全定理4.量子中繼器的主要功能是？A.在網(wǎng)絡中轉發(fā)經(jīng)典控制信號B.存儲和重新發(fā)送經(jīng)過衰減的量子態(tài)C.增加網(wǎng)絡的經(jīng)典比特傳輸速率D.網(wǎng)絡拓撲結構的設計5.以下哪種量子態(tài)資源對于實現(xiàn)長距離量子通信至關重要？A.單量子比特態(tài)B.多粒子糾纏態(tài)C.經(jīng)典比特序列D.無噪聲量子信道6.量子網(wǎng)絡中的拓撲結構選擇需要考慮的主要因素不包括？A.網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)量B.量子信道質量C.傳輸信息類型D.預期網(wǎng)絡壽命7.E91量子密鑰分發(fā)協(xié)議與BB84協(xié)議相比，其主要優(yōu)勢在于？A.提高了密鑰生成速率B.使用更少的測量基C.基于貝爾不等式檢驗，理論上更易實現(xiàn)無條件安全D.對設備噪聲容忍度更高8.導致量子態(tài)在傳輸過程中退相干的主要原因是？A.量子比特本身的自發(fā)衰變B.量子信道引入的噪聲和損耗C.發(fā)送端的操作失誤D.接收端的測量干擾9.量子存儲器在量子網(wǎng)絡中的作用是？A.替代經(jīng)典存儲設備B.在量子信息傳輸中實現(xiàn)時間上的中繼和延遲C.提高量子計算速度D.生成量子密鑰10.量子互聯(lián)網(wǎng)的最終目標不包括？A.實現(xiàn)全球范圍內(nèi)的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡B.構建覆蓋全球的分布式量子計算資源C.實現(xiàn)經(jīng)典信息的高速傳輸D.實現(xiàn)基于量子糾纏的遠程量子隱形傳態(tài)網(wǎng)絡二、簡答題（每小題5分，共20分）1.簡述量子不可克隆定理的內(nèi)容及其對量子信息網(wǎng)絡的意義。2.簡要說明量子密鑰分發(fā)（QKD）的基本原理，并指出其主要優(yōu)勢。3.解釋量子中繼器需要解決的核心技術挑戰(zhàn)，并簡述其基本工作思想。4.描述量子網(wǎng)絡中量子態(tài)傳輸與經(jīng)典信息傳輸?shù)闹饕獏^(qū)別。三、計算題（每小題10分，共30分）1.假設一個量子信道將一個|0?態(tài)傳輸?shù)絴ψ?態(tài)，已知傳輸后的態(tài)為|ψ'?=α|0?+β|1?，其中α=0.9，β=0.4。計算該量子信道的平均保真度（F=<ψ'|μ|ψ>，其中μ是傳輸前后的期望值，|μ?=(|0?+|1?)/√2）。2.在一個基于BB84協(xié)議的QKD系統(tǒng)中，發(fā)送方以等概率隨機選擇基{|0?,|+?}或{|1?,|-?}進行編碼，接收方選擇測量基的概率相同。假設單次傳輸?shù)谋Ｕ娑葹镕=0.85，忽略其他損失，試估算接收方正確測量到的量子態(tài)的比例。3.一個簡單的量子網(wǎng)絡由三個節(jié)點A、B、C組成，節(jié)點間通過量子信道連接，形成一個三角形拓撲。若A到B和B到C的量子信道保真度分別為F_AB=0.9和F_BC=0.8，試從定性角度分析一個任意量子態(tài)從A傳輸?shù)紺的過程中可能面臨的主要保真度損失環(huán)節(jié)。四、論述題（15分）結合當前技術發(fā)展現(xiàn)狀，論述實現(xiàn)廣域量子互聯(lián)網(wǎng)面臨的主要挑戰(zhàn)，并就其中至少兩個方面提出可能的解決方案或研究方向。試卷答案一、選擇題1.D2.C3.B4.B5.B6.D7.C8.B9.B10.C二、簡答題1.量子不可克隆定理指出，不可能存在一個量子操作，能夠將任意未知量子態(tài)復制到另一個未初始化的量子系統(tǒng)中，而同時保持原始量子態(tài)的不確定性。其數(shù)學表達為：不存在一個酉算子U，使得U(|ψ?)|φ??=|ψ?|φ??，其中|ψ?是待復制的未知態(tài)，|φ?是未初始化的輔助態(tài)。對量子信息網(wǎng)絡的意義在于：它從根本上限制了無限復制量子信息的可能性，這是確保量子密鑰分發(fā)（QKD）無條件安全性的理論基礎之一；同時，它也使得量子隱形傳態(tài)需要借助糾纏和經(jīng)典信道來完成，并限制了量子網(wǎng)絡中某些拓撲結構的直接應用。2.QKD基本原理：利用量子力學的基本原理（主要是測不準原理和不可克隆定理）來檢測任何竊聽行為。發(fā)送方和接收方通過共享一個量子態(tài)（如糾纏對或隨機量子比特序列），并使用隨機選擇的測量基進行測量，然后通過公開的經(jīng)典信道比較測量基的選擇。由于測量結果依賴于未知量子態(tài)和測量基，竊聽者無法在不破壞量子態(tài)的前提下獲得信息或完美復制量子態(tài)，其測量行為會引入可被檢測到的擾動，從而暴露竊聽的存在。主要優(yōu)勢：理論上能夠提供無條件的安全性（對抗所有已知的攻擊）；密鑰的安全性與量子力學基本原理相關，具有理論上的可靠性。3.量子中繼器核心技術挑戰(zhàn)：如何在噪聲和非理想的量子信道中維持和傳輸量子態(tài)的相干性；如何高效地生成、存儲和重新發(fā)送量子糾纏；如何實現(xiàn)精確的量子狀態(tài)轉換和測量；如何處理多量子比特的操控和傳輸?；竟ぷ魉枷耄和ǔＩ婕按鎯邮盏降牧孔討B(tài)（或其部分信息），利用本地糾纏資源（或與遠程節(jié)點的糾纏）對量子態(tài)進行“修復”或“增強”，然后重新發(fā)送到下一個節(jié)點。常見的模型包括基于存儲-重發(fā)的方案和更先進的受控傳輸方案。4.量子態(tài)傳輸區(qū)別：經(jīng)典信息傳輸使用比特（0或1），傳輸過程是確定性的，錯誤可以預測并有糾錯方法。量子信息傳輸使用量子比特（qubit），可以處于0、1的疊加態(tài)或糾纏態(tài)；傳輸過程受量子力學規(guī)律支配，測量會塌縮波函數(shù)，且存在退相干和噪聲；量子態(tài)的傳輸可能需要借助糾纏和經(jīng)典信道；無法精確復制和完美測量未知量子態(tài)，使得安全通信成為可能。三、計算題1.平均保真度μ=<ψ'|μ|ψ>=<ψ'|(|0?+|1?)/√2|^2*(|0?+|1?)/√2=|α|^2/2+|β|^2/2=0.9^2/2+0.4^2/2=0.81/2+0.16/2=0.4855+0.08=0.5655。2.接收方選擇{|0?,|+?}基的概率為1/2。在該基下，若發(fā)送|0?，保真度為|α|^2=0.9^2=0.81；若發(fā)送|+?=(|0?+|1?)/√2，保真度為|(α+β)/√2|^2=(0.9+0.4)/√2)^2=(1.3/√2)^2=1.69/2=0.845。正確測量概率為1/2*(0.81+0.845)=0.8275。接收方選擇{|1?,|-?}基的概率和計算類似，最終正確測量比例也為0.8275?？偙壤?0.8275*1/2+0.8275*1/2=0.8275。*（注：此題計算基于理想模型，實際系統(tǒng)還需考慮偏振丟失、相位噪聲等因素）*3.從A到C的傳輸需要經(jīng)過B節(jié)點。主要的保真度損失可能發(fā)生在：①A到B的傳輸過程中，量子態(tài)可能因信道噪聲或衰減而失真；②在B節(jié)點的操作（如果存在，如存儲或重新路由）過程中，可能引入額外的錯誤或退相干；③B到C的傳輸過程中，同樣存在噪聲和衰減。因此，A-B和B-C兩個環(huán)節(jié)都是潛在的保真度損失主要來源。四、論述題實現(xiàn)廣域量子互聯(lián)網(wǎng)面臨的主要挑戰(zhàn)包括：1）量子信道的距離限制：目前的量子信道（如光纖或自由空間）在傳輸光子時損耗較大，導致可傳輸距離有限，難以實現(xiàn)真正意義上的全球覆蓋。解決方案/方向：研發(fā)低損耗量子傳輸介質（如特殊波段的光纖、自由空間傳輸優(yōu)化技術），開發(fā)量子中繼器技術以放大或重組量子態(tài)，利用衛(wèi)星量子通信平臺實現(xiàn)超視距傳輸。2）量子中繼器的成熟度：現(xiàn)有量子中繼器技術尚不成熟，存在效率低、操作復雜、難以擴展等問題，限制了長距離量子網(wǎng)絡的構建。解決方案/方向：開發(fā)基于存儲-重發(fā)或受控傳輸?shù)母咝?、穩(wěn)定的量子中繼器原型，解決多量子比特操控、糾纏生成與維持、錯誤糾正等關鍵技術難題。3）量子資源（糾纏）的制備與分配：產(chǎn)生高品質、長距離傳輸所需的大型糾纏態(tài)組成本身就極具挑戰(zhàn)，且如何經(jīng)濟、高效地在網(wǎng)絡中分配和利用這些資源是關鍵。解決方案/方向：研究更有效的多光子糾纏源，探索遠距離量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)技術，建立標準化的量子資源接口和分配協(xié)議。4）網(wǎng)絡協(xié)議與標準化：缺乏統(tǒng)一的量子網(wǎng)絡協(xié)議標準，不同設備、不同技術路線之間的互操作性難以保證。解決方案