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)在安全通信中的創(chuàng)新考試時(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)字母填在括號(hào)內(nèi)）1.量子比特（qubit）與經(jīng)典比特的主要區(qū)別在于（）。A.量子比特可以存儲(chǔ)更多信息B.量子比特可以實(shí)現(xiàn)疊加態(tài)C.量子比特的傳輸速度更快D.量子比特只能表示0或12.量子密鑰分發(fā)（QKD）利用的量子力學(xué)基本原理是（）。A.量子隧穿效應(yīng)B.量子不可克隆定理C.量子退相干現(xiàn)象D.量子測(cè)量的完備性3.在BB84量子密鑰分發(fā)協(xié)議中，發(fā)送方隨機(jī)選擇的基礎(chǔ)是（）。A.經(jīng)典隨機(jī)數(shù)B.量子隨機(jī)數(shù)C.服務(wù)器預(yù)共享密鑰D.公開(kāi)密鑰4.如果攻擊者試圖竊聽(tīng)QKD信道并測(cè)量光量子態(tài)，以下哪種情況會(huì)不可避免地引入干擾（）。A.攻擊者使用與發(fā)送方相同的偏振片B.攻擊者使用與發(fā)送方不同的偏振片C.攻擊者不測(cè)量量子態(tài)的偏振態(tài)D.發(fā)送方和接收方使用不同的量子態(tài)5.E91量子密鑰分發(fā)協(xié)議與BB84協(xié)議相比，主要優(yōu)勢(shì)在于（）。A.不需要貝爾態(tài)發(fā)生器B.對(duì)信道損失不敏感C.能在更高距離上實(shí)現(xiàn)QKDD.攻擊者更難探測(cè)測(cè)量擾動(dòng)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)，QKD傳輸?shù)氖墙?jīng)典密鑰B.QSDC不需要密鑰，QKD需要密鑰C.QSDC的密鑰率通常低于QKDD.QSDC的安全性依賴于量子存儲(chǔ)，QKD不依賴7.以下哪項(xiàng)不是當(dāng)前量子安全通信技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)？（）A.量子中繼器的技術(shù)瓶頸B.高效量子探測(cè)器的發(fā)展C.成本過(guò)高D.量子計(jì)算機(jī)的普及應(yīng)用8.量子不可克隆定理表述為：任何關(guān)于未知量子態(tài)的測(cè)量都不能增加該態(tài)的測(cè)量結(jié)果中蘊(yùn)含的關(guān)于該態(tài)的信息。這意味著（）。A.無(wú)法精確復(fù)制一個(gè)未知的量子態(tài)B.量子態(tài)比經(jīng)典信息更難復(fù)制C.量子態(tài)無(wú)法被測(cè)量D.量子態(tài)會(huì)隨著測(cè)量而消失9.量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生的密鑰最終需要（）。A.通過(guò)量子信道傳輸給所有用戶B.存儲(chǔ)在量子存儲(chǔ)器中C.與經(jīng)典密鑰混合使用D.與服務(wù)器的私鑰進(jìn)行加密10.量子信息科學(xué)在安全通信領(lǐng)域的核心創(chuàng)新價(jià)值在于（）。A.實(shí)現(xiàn)了比經(jīng)典方法更快的通信速度B.提供了理論上無(wú)條件安全或信息論安全的通信保障C.大幅降低了通信成本D.實(shí)現(xiàn)了無(wú)人監(jiān)聽(tīng)的網(wǎng)絡(luò)二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在橫線上）1.量子密鑰分發(fā)（QKD）利用量子力學(xué)的基本原理，確保密鑰分發(fā)的______，即任何竊聽(tīng)行為都會(huì)被______。2.BB84協(xié)議中，發(fā)送方使用兩種不同的量子態(tài)（如|0?和|1?）以及兩種不同的偏振基（如|+?和|??）來(lái)編碼信息。接收方在______基上測(cè)量，然后與發(fā)送方公開(kāi)共享的______進(jìn)行比對(duì)，以恢復(fù)密鑰。3.量子安全直接通信（QSDC）的目標(biāo)是在量子信道上直接傳輸______，而不需要先生成和分發(fā)經(jīng)典密鑰。4.量子密鑰分發(fā)的密鑰率是指單位時(shí)間內(nèi)生成的______、互相關(guān)系數(shù)足夠小的密鑰比特?cái)?shù)。密鑰率受到______和______的限制。5.為了克服QKD傳輸距離的限制，研究人員正在探索量子______和______等技術(shù)。三、簡(jiǎn)答題（每題8分，共24分）1.簡(jiǎn)述量子不可克隆定理的內(nèi)容及其對(duì)量子安全通信的意義。2.簡(jiǎn)要解釋量子測(cè)量的隨機(jī)性和不可克隆性如何在QKD中保證密鑰的安全性。3.簡(jiǎn)述量子密鑰分發(fā)（QKD）系統(tǒng)的主要組成部分及其功能。四、論述題（共26分）結(jié)合量子力學(xué)的相關(guān)原理，論述量子密鑰分發(fā)（QKD）為何能夠提供理論上無(wú)條件的安全性。在論述過(guò)程中，請(qǐng)說(shuō)明攻擊者竊聽(tīng)時(shí)必然會(huì)面臨的困難，并分析當(dāng)前QKD技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中面臨的主要挑戰(zhàn)及其可能的解決方案。試卷答案一、選擇題1.B2.B3.A4.B5.D6.A7.D8.A9.B10.B二、填空題1.安全性，必然被發(fā)現(xiàn)2.隨機(jī)選擇，偏振基3.量子信息4.安全，信道損耗，測(cè)量錯(cuò)誤率5.中繼器，存儲(chǔ)器三、簡(jiǎn)答題1.量子不可克隆定理的內(nèi)容是：對(duì)于任何未知量子態(tài)的復(fù)制操作，都無(wú)法精確復(fù)制該態(tài)，并且復(fù)制過(guò)程本身會(huì)破壞原始態(tài)。其數(shù)學(xué)表述為：對(duì)于任意保跡算符Φ(ρ)≡|ψ??ψ|ψ??ψ|+|φ??φ|φ??φ|，若Φ(ρ)|ψ?=|ψ??ψ|，則Φ(ρ)|φ?≠|(zhì)φ??φ|。對(duì)QKD的意義在于，如果攻擊者（Eve）試圖在量子信道中竊聽(tīng)并復(fù)制傳輸?shù)拿荑€量子比特，由于無(wú)法精確復(fù)制未知量子態(tài)，復(fù)制過(guò)程必然會(huì)引入可被合法用戶（Alice和Bob）檢測(cè)到的擾動(dòng)，從而暴露竊聽(tīng)行為，保證了QKD的安全性基礎(chǔ)。2.量子測(cè)量的隨機(jī)性體現(xiàn)在，對(duì)于同一個(gè)量子態(tài)，在給定測(cè)量基下進(jìn)行測(cè)量，每次得到的結(jié)果是隨機(jī)出現(xiàn)的（0或1，或根據(jù)具體基別的其他結(jié)果），且結(jié)果遵循特定的統(tǒng)計(jì)分布。QKD利用了這一點(diǎn)，Alice發(fā)送的量子態(tài)經(jīng)過(guò)Eve的竊聽(tīng)測(cè)量后，其量子態(tài)會(huì)發(fā)生改變，導(dǎo)致后續(xù)測(cè)量結(jié)果偏離預(yù)設(shè)的統(tǒng)計(jì)分布。量子測(cè)量的不可克隆性則保證了Eve無(wú)法在不破壞原始態(tài)的情況下進(jìn)行精確測(cè)量和復(fù)制，任何對(duì)量子態(tài)的測(cè)量都會(huì)不可避免地留下痕跡。Alice和Bob通過(guò)比較部分共享的經(jīng)典測(cè)量結(jié)果（并統(tǒng)計(jì)偏差），可以檢測(cè)到Eve的竊聽(tīng)嘗試。這種測(cè)量的隨機(jī)性和不可克隆性共同保證了QKD的安全性，即竊聽(tīng)必然導(dǎo)致可被檢測(cè)的擾動(dòng)。3.QKD系統(tǒng)的主要組成部分及其功能：*Alice（密鑰生成方）：生成隨機(jī)的比特序列，將其映射為量子態(tài)（如使用偏振光，選擇不同的偏振基），通過(guò)量子信道發(fā)送給Bob。同時(shí)，她記錄下使用的量子態(tài)和偏振基。*量子信道：傳輸Alice發(fā)出的量子態(tài)。這是潛在的竊聽(tīng)發(fā)生區(qū)域。*Bob（密鑰接收方）：使用隨機(jī)選擇的偏振基對(duì)接收到的量子態(tài)進(jìn)行測(cè)量，并記錄測(cè)量結(jié)果和所使用的偏振基。*公共信道（經(jīng)典信道）：Alice和Bob通過(guò)一個(gè)公開(kāi)的（通常是經(jīng)典）信道，共享他們各自記錄的關(guān)于所使用的量子態(tài)/偏振基的信息（但不共享測(cè)量結(jié)果）。*密鑰篩選與后處理模塊：雙方根據(jù)共享的公共信息，篩選出使用相同偏振基測(cè)量的比特對(duì)，形成初始共享密鑰。然后通過(guò)后處理步驟（如測(cè)量偏差、刪除錯(cuò)誤比特等）來(lái)提高密鑰的質(zhì)量和安全性，最終得到可用于加密通信的安全密鑰。四、論述題量子密鑰分發(fā)（QKD）能夠提供理論上無(wú)條件的安全性（或信息論安全性），其核心依據(jù)在于量子力學(xué)的基本原理，特別是量子測(cè)量的隨機(jī)性和不可克隆性。QKD的安全性不依賴于對(duì)具體攻擊方法的假設(shè)，而是基于任何竊聽(tīng)行為都無(wú)法避免地破壞量子態(tài)的固有性質(zhì)。論述QKD安全性的原理：1.量子測(cè)量的隨機(jī)性：當(dāng)Alice發(fā)送一個(gè)量子比特（如光子）給Bob時(shí)，她通常會(huì)選擇兩種不同的量子基（例如，水平偏振|+?和垂直偏振|??，或diagonal基|+45?和|-45?）來(lái)編碼比特0和1。Bob則隨機(jī)地使用其中一種基進(jìn)行測(cè)量。由于量子態(tài)在被測(cè)量前處于疊加態(tài)，Bob每次測(cè)量得到的結(jié)果（0或1）是隨機(jī)的，其概率由Alice發(fā)送的量子態(tài)和所選的測(cè)量基決定。對(duì)于未受干擾的量子信道，Alice和Bob最終能通過(guò)公開(kāi)信道協(xié)商或比對(duì)他們各自記錄的所用基的信息，從而恢復(fù)出原始的比特序列。2.量子測(cè)量的擾動(dòng)效應(yīng)與不可克隆性：如果攻擊者Eve試圖在量子信道中竊聽(tīng)，她必須對(duì)接收到的量子比特進(jìn)行測(cè)量。然而，Eve無(wú)法預(yù)先知道Alice使用的基。如果她使用錯(cuò)誤的基進(jìn)行測(cè)量，那么測(cè)量結(jié)果將是對(duì)原始量子態(tài)的一個(gè)不完全的、失真的投影，并且會(huì)引入統(tǒng)計(jì)上的偏差。根據(jù)量子不可克隆定理，Eve無(wú)法精確復(fù)制一個(gè)未知的量子態(tài)。任何對(duì)她所測(cè)量的量子比特的進(jìn)一步處理或復(fù)制嘗試，都會(huì)不可避免地改變?cè)摿孔颖忍氐牧孔討B(tài)，從而留下可以被Alice和Bob檢測(cè)到的痕跡。例如，Eve的測(cè)量可能會(huì)改變量子比特的偏振態(tài)，導(dǎo)致Bob在后續(xù)使用正確基進(jìn)行測(cè)量時(shí)，觀察到更高的錯(cuò)誤率。3.安全性檢測(cè)：Alice和Bob可以通過(guò)公開(kāi)信道比較他們各自記錄的所用基的信息。他們可以選擇一部分比特，僅通過(guò)比對(duì)所用基的信息來(lái)計(jì)算“偏差”（Bias）。如果Eve沒(méi)有竊聽(tīng)，或者竊聽(tīng)非常微弱以至于可以忽略，那么偏差應(yīng)該接近0.5。如果偏差顯著偏離0.5，Alice和Bob就可以判斷存在竊聽(tīng)行為。根據(jù)偏差的大小，他們可以決定丟棄部分或全部密鑰，從而保證最終使用的密鑰是安全的。這種安全性是基于信息論原理，即任何試圖獲取額外信息的竊聽(tīng)都會(huì)不可避免地引入可檢測(cè)的擾動(dòng)。實(shí)際應(yīng)用中的挑戰(zhàn)與解決方案：盡管QKD具有理論上的無(wú)條件安全性，但在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨諸多挑戰(zhàn)：1.信道損耗：量子態(tài)（特別是光子）在光纖中傳輸時(shí)會(huì)發(fā)生衰減，導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度減弱。當(dāng)損耗超過(guò)某個(gè)閾值時(shí)，量子態(tài)會(huì)變得太弱，無(wú)法被探測(cè)器可靠探測(cè)，測(cè)量錯(cuò)誤率會(huì)急劇上升，密鑰率降為零。解決方案：使用量子中繼器來(lái)放大或重構(gòu)量子態(tài)，延長(zhǎng)QKD的傳輸距離。目前量子中繼器仍處于研究和發(fā)展階段，面臨技術(shù)挑戰(zhàn)。2.探測(cè)效率限制：當(dāng)前的量子探測(cè)器探測(cè)單個(gè)光子的效率還不夠高，這意味著探測(cè)器可能會(huì)漏檢部分量子比特，導(dǎo)致測(cè)量錯(cuò)誤。解決方案：提高探測(cè)器效率；或者采用“測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)”（MDI）的QKD方案，使得安全性不依賴于探測(cè)器的具體參數(shù)。3.側(cè)信道攻擊：QKD系統(tǒng)中的經(jīng)典設(shè)備（如探測(cè)器、光電轉(zhuǎn)換器、基序記錄設(shè)備等）可能成為側(cè)信道攻擊的目標(biāo)，攻擊者可能通過(guò)分析這些設(shè)備的功耗、發(fā)熱、時(shí)間延遲等特征來(lái)推斷密鑰信息。解決方案：采用抗側(cè)信道攻擊的器件和協(xié)議設(shè)計(jì)，如測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)（MDI）、設(shè)備無(wú)關(guān)（DI）QKD方案，或者物理一層安全（PHYSEC）的設(shè)計(jì)思想。4.成本問(wèn)題：目前高性能的QKD設(shè)備成本仍然較高，限制了其大規(guī)模部署。解決方案：隨著技術(shù)成熟和規(guī)模化生產(chǎn)，