2025年大學(xué)《量子信息科學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——量子信息學(xué)對(duì)可持續(xù)發(fā)展的支持考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、請(qǐng)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)典物理中對(duì)應(yīng)概念的顯著區(qū)別。二、聯(lián)合國(guó)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)（SDGs）中涉及氣候行動(dòng)、清潔飲水和衛(wèi)生設(shè)施、可持續(xù)城市和社區(qū)等領(lǐng)域。請(qǐng)分別列舉量子信息科學(xué)（側(cè)重于量子計(jì)算和量子傳感）在其中一個(gè)領(lǐng)域可能的應(yīng)用方向，并簡(jiǎn)述其潛在作用機(jī)制。三、量子計(jì)算在藥物發(fā)現(xiàn)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。請(qǐng)闡述量子計(jì)算如何加速新藥分子模擬和設(shè)計(jì)過(guò)程，并分析在這一過(guò)程中可能遇到的計(jì)算瓶頸和相應(yīng)的技術(shù)挑戰(zhàn)。四、高精度的環(huán)境監(jiān)測(cè)對(duì)于實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)至關(guān)重要。量子傳感技術(shù)因其獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面具有廣闊應(yīng)用前景。請(qǐng)比較量子傳感與傳統(tǒng)傳感技術(shù)在環(huán)境參數(shù)（如大氣污染物濃度、水體放射性物質(zhì)檢測(cè)）測(cè)量方面的主要優(yōu)勢(shì)，并舉例說(shuō)明其在氣候變化研究中的應(yīng)用。五、盡管量子信息科學(xué)在可持續(xù)發(fā)展方面前景廣闊，但其發(fā)展仍面臨諸多挑戰(zhàn)。請(qǐng)從技術(shù)成熟度、基礎(chǔ)設(shè)施、人才培養(yǎng)、成本效益以及倫理社會(huì)影響等角度，分析當(dāng)前量子信息學(xué)大規(guī)模應(yīng)用于可持續(xù)發(fā)展所面臨的主要障礙。六、結(jié)合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，論述量子信息科學(xué)對(duì)實(shí)現(xiàn)聯(lián)合國(guó)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)中的“清潔能源”和“負(fù)責(zé)任消費(fèi)與生產(chǎn)”兩個(gè)目標(biāo)的潛在貢獻(xiàn)。在論述中，請(qǐng)至少提及兩種不同的量子信息科學(xué)技術(shù)（如量子計(jì)算、量子通信、量子傳感等），并探討實(shí)現(xiàn)這些貢獻(xiàn)可能需要克服的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。試卷答案一、量子疊加：指量子系統(tǒng)可以同時(shí)處于多個(gè)可能的狀態(tài)的線性組合。例如，一個(gè)量子比特可以同時(shí)是0和1的疊加態(tài)|ψ?=α|0?+β|1?，其中α和β是復(fù)數(shù)，表示處于狀態(tài)0和狀態(tài)1的概率幅，其模平方|α|2和|β|2分別代表測(cè)量到狀態(tài)0和狀態(tài)1的概率。量子疊加是量子力學(xué)的基本特征之一，與經(jīng)典比特只能處于0或1的確定狀態(tài)不同。量子糾纏：指兩個(gè)或多個(gè)量子粒子之間存在一種特殊的關(guān)聯(lián)，即使它們相隔遙遠(yuǎn)，測(cè)量其中一個(gè)粒子的狀態(tài)會(huì)瞬間影響到另一個(gè)（或另一些）粒子的狀態(tài)。這種關(guān)聯(lián)無(wú)法用經(jīng)典物理中的任何疊加態(tài)來(lái)描述。例如，愛因斯坦-波多爾斯基-羅森（EPR）悖論中的糾纏粒子對(duì)，測(cè)量一個(gè)粒子的自旋后，另一個(gè)粒子的自旋狀態(tài)會(huì)瞬時(shí)確定。區(qū)別：1.狀態(tài)性質(zhì)：量子疊加描述的是一個(gè)量子系統(tǒng)內(nèi)部多種可能狀態(tài)的線性組合，而量子糾纏描述的是多個(gè)量子系統(tǒng)之間的一種關(guān)聯(lián)態(tài)。單個(gè)量子比特的疊加是其自身狀態(tài)的描述，而糾纏涉及至少兩個(gè)量子比特的相互作用和關(guān)聯(lián)。2.經(jīng)典對(duì)應(yīng)：經(jīng)典物理中沒(méi)有直接對(duì)應(yīng)的疊加概念（經(jīng)典系統(tǒng)狀態(tài)唯一確定），也沒(méi)有類似量子糾纏的非定域關(guān)聯(lián)（經(jīng)典系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果獨(dú)立）。3.測(cè)量影響：對(duì)處于疊加態(tài)的量子系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，會(huì)使其從疊加態(tài)坍縮到一個(gè)確定的本征態(tài)。對(duì)于糾纏態(tài)，測(cè)量其中一個(gè)系統(tǒng)的一部分，會(huì)瞬間確定另一個(gè)部分的相應(yīng)狀態(tài)，體現(xiàn)了量子非定域性，這與經(jīng)典物理的局部實(shí)在論不同。二、氣候行動(dòng)：量子信息科學(xué)可用于改進(jìn)氣候模型和天氣預(yù)報(bào)。量子計(jì)算能夠高效處理氣候系統(tǒng)中的海量數(shù)據(jù)和復(fù)雜非線性相互作用，有助于開發(fā)更精確的全球氣候模型，從而更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)氣候變化趨勢(shì)、極端天氣事件（如颶風(fēng)、干旱），為制定更有效的減排策略和適應(yīng)措施提供科學(xué)依據(jù)。量子傳感可應(yīng)用于高精度溫室氣體（如CO?）濃度監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，精確測(cè)量大氣成分和分布，為氣候監(jiān)測(cè)和溯源提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。清潔飲水和衛(wèi)生設(shè)施：量子傳感可用于開發(fā)高靈敏度、高選擇性、便攜式的水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)水中的微量污染物（如重金屬離子、農(nóng)藥殘留、細(xì)菌病毒），特別是在偏遠(yuǎn)地區(qū)或發(fā)展中國(guó)家，有助于保障飲用水安全。量子計(jì)算可應(yīng)用于優(yōu)化水資源的分配和管理模型，結(jié)合地理信息、氣象數(shù)據(jù)、需水量預(yù)測(cè)等，實(shí)現(xiàn)更高效、可持續(xù)的水資源利用?？沙掷m(xù)城市和社區(qū)：量子計(jì)算可用于優(yōu)化城市交通流網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)模擬和預(yù)測(cè)交通狀況，規(guī)劃最優(yōu)路線，減少擁堵和燃料消耗，降低城市碳排放。結(jié)合傳感器數(shù)據(jù)，可優(yōu)化智能電網(wǎng)的能源調(diào)度，提高可再生能源的接納能力，保障城市能源供應(yīng)的穩(wěn)定性和可持續(xù)性。量子傳感可用于城市環(huán)境監(jiān)測(cè)，精確測(cè)量空氣質(zhì)量、噪音水平、土壤污染等，為城市規(guī)劃和管理提供數(shù)據(jù)支持。三、量子計(jì)算通過(guò)其獨(dú)特的量子并行處理能力，可以在探索藥物分子空間時(shí)進(jìn)行指數(shù)級(jí)加速。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)在搜索巨大的分子結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，需要逐一評(píng)估每個(gè)分子的結(jié)合能等性質(zhì)，計(jì)算量隨分子復(fù)雜度指數(shù)增長(zhǎng)。而量子計(jì)算可以利用量子疊加，同時(shí)表示大量分子的結(jié)構(gòu)及其對(duì)應(yīng)的能量狀態(tài)；利用量子相位，可以高效地找到能量最低的穩(wěn)定構(gòu)型（即藥物分子與靶點(diǎn)蛋白質(zhì)的結(jié)合模式）；利用量子隧穿，可以繞過(guò)傳統(tǒng)計(jì)算中的搜索障礙。這使得量子計(jì)算能夠顯著加速新分子的篩選、優(yōu)化藥物分子與靶點(diǎn)的相互作用能、模擬藥物在生物體內(nèi)的代謝過(guò)程和作用機(jī)制，從而大大縮短新藥研發(fā)周期，降低研發(fā)成本，并有助于發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)方法難以發(fā)現(xiàn)的新型藥物。計(jì)算瓶頸與挑戰(zhàn)：1.當(dāng)前量子硬件限制：現(xiàn)有的量子計(jì)算機(jī)（NISQera設(shè)備）規(guī)模較小，量子比特?cái)?shù)量有限，且存在較高的錯(cuò)誤率。這限制了可以處理的分子大小和模擬的復(fù)雜性。對(duì)于復(fù)雜的生物大分子，所需的量子比特?cái)?shù)和精度要求遠(yuǎn)超當(dāng)前硬件能力。2.量子糾錯(cuò)需求：實(shí)現(xiàn)可靠的藥物發(fā)現(xiàn)應(yīng)用需要強(qiáng)大的量子糾錯(cuò)能力來(lái)克服噪聲和錯(cuò)誤，而當(dāng)前的量子糾錯(cuò)技術(shù)仍處于早期發(fā)展階段。3.算法與模型開發(fā)：需要開發(fā)更有效、更魯棒的量子算法（如變分量子特征求解器VQE、量子機(jī)器學(xué)習(xí)算法）來(lái)適應(yīng)藥物發(fā)現(xiàn)的具體需求，并將復(fù)雜的生物化學(xué)問(wèn)題映射到量子計(jì)算機(jī)上。4.數(shù)據(jù)接口與整合：需要建立高效的接口，將龐大的生物化學(xué)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與量子計(jì)算模型相結(jié)合。四、主要優(yōu)勢(shì)：1.超高靈敏度：量子傳感器可以利用量子系統(tǒng)的相干特性，對(duì)微弱的信號(hào)做出極其敏感的響應(yīng)，能夠探測(cè)到傳統(tǒng)傳感器難以察覺的極低濃度或微弱變化。例如，利用原子干涉效應(yīng)的量子傳感器可以極大地提高重力梯度測(cè)量精度，用于地下水探測(cè)或地質(zhì)結(jié)構(gòu)成像；利用NV色心等量子比特的磁力計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地磁場(chǎng)微小變化的極高靈敏度測(cè)量，用于資源勘探或?qū)Ш健?.高精度與穩(wěn)定性：量子傳感器基于量子力學(xué)原理，其測(cè)量過(guò)程受環(huán)境噪聲的影響可能比經(jīng)典傳感器小，具有更高的測(cè)量精度和更好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。例如，原子鐘是目前最精確的時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)，其穩(wěn)定性遠(yuǎn)超傳統(tǒng)石英鐘。3.多參數(shù)探測(cè)：某些量子傳感器可以同時(shí)探測(cè)多種不同的環(huán)境參數(shù)，例如同時(shí)測(cè)量溫度、壓力和加速度。環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用舉例：在氣候變化研究中，高精度的量子傳感網(wǎng)絡(luò)可以用于全球大氣監(jiān)測(cè)。例如，部署在全球各地的基于量子原理的CO?傳感器，可以提供比現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)更精確、時(shí)空分辨率更高的CO?濃度數(shù)據(jù)，幫助科學(xué)家追蹤全球碳循環(huán)，驗(yàn)證氣候模型，評(píng)估減排政策的成效，并揭示區(qū)域性的排放源和匯。此外，量子傳感器還可以用于監(jiān)測(cè)海洋酸化、極地冰蓋厚度變化等關(guān)鍵氣候指標(biāo)。五、主要障礙：1.技術(shù)成熟度：大多數(shù)量子信息科學(xué)技術(shù)（尤其是量子計(jì)算）仍處于早期研發(fā)階段，硬件性能（如量子比特?cái)?shù)量、相干時(shí)間、錯(cuò)誤率）距離實(shí)際大規(guī)模應(yīng)用要求尚有差距。量子算法的成熟度和通用性也有待提高。2.基礎(chǔ)設(shè)施與成本：構(gòu)建和維護(hù)量子計(jì)算中心、量子傳感網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)設(shè)施需要巨大的投入，且目前相關(guān)設(shè)備和技術(shù)的成本非常高昂，限制了其普及應(yīng)用。3.人才培養(yǎng)：量子信息科學(xué)是高度交叉的前沿學(xué)科，需要大量具備物理、計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)、工程等多學(xué)科背景的專業(yè)人才。目前相關(guān)人才儲(chǔ)備相對(duì)不足，人才培養(yǎng)體系尚需完善。4.標(biāo)準(zhǔn)化與互操作性：量子硬件、軟件、協(xié)議等方面缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不同廠商的設(shè)備和系統(tǒng)之間難以互操作，阻礙了技術(shù)的集成和應(yīng)用推廣。5.倫理、社會(huì)與安全風(fēng)險(xiǎn)：量子計(jì)算可能對(duì)現(xiàn)有加密體系構(gòu)成威脅，引發(fā)信息安全擔(dān)憂。量子傳感器的潛在應(yīng)用也可能涉及個(gè)人隱私和數(shù)據(jù)安全等問(wèn)題。此外，技術(shù)發(fā)展可能帶來(lái)的就業(yè)結(jié)構(gòu)變化、數(shù)字鴻溝加劇等社會(huì)影響也需要關(guān)注和應(yīng)對(duì)。六、量子信息科學(xué)在實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)方面具有巨大潛力。對(duì)“清潔能源”（SDG7）的貢獻(xiàn)：*量子計(jì)算：可用于設(shè)計(jì)更高效的太陽(yáng)能電池材料，通過(guò)模擬和優(yōu)化分子結(jié)構(gòu)，提升光吸收和電轉(zhuǎn)換效率；優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)和布局，以適應(yīng)復(fù)雜的地理和氣候條件，提高發(fā)電量；模擬和優(yōu)化電網(wǎng)的運(yùn)行，更好地集成和管理可再生能源（如風(fēng)能、太陽(yáng)能），提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性；加速開發(fā)新型清潔能源存儲(chǔ)技術(shù)（如先進(jìn)電池）。*量子傳感：可用于開發(fā)高精度、長(zhǎng)距離的地下管網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于天然氣、石油等能源的泄漏檢測(cè)，減少能源損失和環(huán)境污染；用于優(yōu)化地質(zhì)勘探，更準(zhǔn)確地定位油氣藏或地?zé)豳Y源，提高能源開采效率和環(huán)境友好性。對(duì)“負(fù)責(zé)任消費(fèi)與生產(chǎn)”（SDG12）的貢獻(xiàn)：*量子計(jì)算：可用于優(yōu)化供應(yīng)鏈管理，減少物流過(guò)程中的能源消耗和浪費(fèi)；模擬產(chǎn)品生命周期，優(yōu)化材料使用，減少生產(chǎn)過(guò)程中的資源消耗和廢棄物產(chǎn)生；加速開發(fā)可生物降解材料或高效回收技術(shù)，促進(jìn)資源的循環(huán)利用；進(jìn)行精細(xì)化的能效分析，幫助企業(yè)和消費(fèi)者做出更節(jié)能環(huán)保的選擇。*量子傳感：可用于精確監(jiān)測(cè)生產(chǎn)過(guò)程中的資源消耗（如水、電）和污染物排放，為企業(yè)和政府提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，支持環(huán)境審計(jì)和減排決策；用于檢測(cè)產(chǎn)品中的有害物質(zhì)或進(jìn)行溯源，確保產(chǎn)品質(zhì)量和安全，促進(jìn)負(fù)責(zé)任的消費(fèi)。關(guān)鍵挑戰(zhàn)：1.硬件性能提升：需要開發(fā)出更大規(guī)模、更高性能、更穩(wěn)定、更低成本的量子計(jì)算機(jī)和量子傳感器。2.算法與軟件發(fā)展：