2025年大學(xué)《量子信息科學(xué)》專業(yè)題庫——量子信息傳輸?shù)陌踩珔f(xié)議設(shè)計(jì)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)答題（每題6分，共30分）1.簡(jiǎn)述量子不可克隆定理的內(nèi)容及其在量子密碼學(xué)，特別是量子密鑰分發(fā)中的應(yīng)用意義。2.比較BB84協(xié)議和E91協(xié)議在安全性證明思路和所需物理資源（如糾纏態(tài)）上的主要區(qū)別。3.簡(jiǎn)述量子密鑰分發(fā)面臨的主要實(shí)際挑戰(zhàn)，并說明其中一項(xiàng)挑戰(zhàn)及其可能的解決方案或緩解方法。4.解釋什么是量子態(tài)的測(cè)量塌縮，并說明這一特性如何保障BB84協(xié)議的安全性。5.簡(jiǎn)述側(cè)信道攻擊的概念，并列舉至少兩種針對(duì)QKD系統(tǒng)的常見側(cè)信道攻擊類型。二、分析題（每題10分，共40分）1.在BB84協(xié)議中，Alice選擇的基礎(chǔ)態(tài){|0?,|1?}和{|+?,|-?}被稱為兩種不同的測(cè)量基。請(qǐng)解釋為什么使用兩種不同的測(cè)量基可以增加竊聽者Eve無法準(zhǔn)確獲取密鑰的難度。2.假設(shè)一個(gè)QKD系統(tǒng)基于E91協(xié)議運(yùn)行，竊聽者Eve使用某種方法測(cè)量了部分光子對(duì)。請(qǐng)分析Eve的測(cè)量行為如何不可避免地引入統(tǒng)計(jì)上的偏差，并說明這一偏差如何被Bob用來發(fā)現(xiàn)Eve的存在。3.闡述“設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)”（DI-QKD）的基本思想，并說明它如何從原理上克服了傳統(tǒng)QKD系統(tǒng)對(duì)設(shè)備完美性的依賴，從而提高了安全性。4.分析將量子密鑰分發(fā)通過普通光纖傳輸長(zhǎng)距離時(shí)遇到的主要問題，并簡(jiǎn)要說明自由空間量子通信在克服這些問題方面的潛在優(yōu)勢(shì)。三、論述題（每題20分，共40分）1.論述量子密鑰分發(fā)（QKD）協(xié)議的安全性與其實(shí)現(xiàn)的安全性之間的區(qū)別與聯(lián)系。即使理論上某個(gè)QKD協(xié)議是安全的，為什么在物理實(shí)現(xiàn)層面仍可能存在安全漏洞？請(qǐng)結(jié)合側(cè)信道攻擊等實(shí)例說明。2.量子信息傳輸除了密鑰分發(fā)之外，還能實(shí)現(xiàn)其他形式的安全通信嗎？請(qǐng)簡(jiǎn)要論述量子安全直接通信（QSDC）的基本概念、原理，并分析其相較于QKD+經(jīng)典加密方案的優(yōu)勢(shì)所在。試卷答案一、簡(jiǎn)答題1.量子不可克隆定理指出，任何對(duì)未知量子態(tài)的測(cè)量都無法做到既不破壞原始量子態(tài)，又能精確復(fù)制一個(gè)相同的量子態(tài)。在量子密碼學(xué)中，該定理保證了即使竊聽者Eve能夠攔截傳輸?shù)牧孔討B(tài)，也無法在不改變量子態(tài)的前提下復(fù)制信息，從而任何竊聽行為都會(huì)不可避免地干擾量子態(tài)，被合法用戶（Alice和Bob）檢測(cè)出來，確保了密鑰分發(fā)的安全性。2.BB84協(xié)議的安全性基于量子力學(xué)的基本原理，其安全性不依賴于對(duì)設(shè)備參數(shù)的完美知識(shí)。E91協(xié)議則利用了量子糾纏的特性，通過貝爾不等式檢驗(yàn)來探測(cè)任何對(duì)糾纏光子的竊聽行為。主要區(qū)別在于：BB84的安全性證明基于測(cè)量基的選擇和量子測(cè)量的隨機(jī)性；E91的安全性證明基于對(duì)糾纏態(tài)的測(cè)量結(jié)果是否滿足貝爾不等式，直接利用了量子糾纏的抗干擾性。E91通常需要更弱的設(shè)備條件（如非最大糾纏態(tài)），但可能對(duì)環(huán)境噪聲更敏感。3.QKD面臨的主要實(shí)際挑戰(zhàn)包括：光纖傳輸中的損耗和噪聲會(huì)降低單光子傳輸率，限制通信距離；探測(cè)器效率有限，且存在暗計(jì)數(shù)等噪聲；光源和探測(cè)器的非理想特性（如消相干時(shí)間短、非單光子輸出等）會(huì)影響安全性；系統(tǒng)成本高，部署復(fù)雜。其中一項(xiàng)挑戰(zhàn)是光纖損耗。解決方案或緩解方法包括：采用量子中繼器來放大或存儲(chǔ)量子態(tài)，克服距離限制；使用低損耗的量子通信媒介，如自由空間傳輸；發(fā)展更高效、更穩(wěn)定的單光子源和探測(cè)器。4.量子態(tài)的測(cè)量塌縮是指，測(cè)量一個(gè)量子系統(tǒng)的某個(gè)可觀測(cè)量時(shí)，系統(tǒng)的波函數(shù)會(huì)從多種可能的狀態(tài)瞬間坍縮到被測(cè)量結(jié)果所對(duì)應(yīng)的一個(gè)確定狀態(tài)。在BB84協(xié)議中，Eve如果試圖測(cè)量Alice發(fā)送的量子比特，其測(cè)量過程會(huì)根據(jù)所選的測(cè)量基（{|0?,|1?}或{|+?,|-?}）改變被測(cè)量子比特的量子態(tài)。這種測(cè)量擾動(dòng)是不可避免的，且與量子態(tài)的原始狀態(tài)以及Alice選擇的基相關(guān)。Bob在隨機(jī)抽取并公布自己使用的基后，可以通過比較他和Eve（如果存在）測(cè)量結(jié)果的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性來檢測(cè)這種擾動(dòng)，從而發(fā)現(xiàn)Eve的存在。5.側(cè)信道攻擊是指攻擊者通過測(cè)量與量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)相關(guān)的非理想物理量（如探測(cè)器閃爍、光源強(qiáng)度波動(dòng)、電路功耗、電磁輻射等）來獲取密鑰信息，而非直接攻擊量子信道本身。常見的側(cè)信道攻擊類型包括：閃爍攻擊（利用探測(cè)器暗計(jì)數(shù)或鬼閃爍等隨機(jī)噪聲）、功率分析攻擊（測(cè)量系統(tǒng)功耗變化）、時(shí)序攻擊（測(cè)量操作時(shí)間差異）、聲學(xué)攻擊（測(cè)量設(shè)備產(chǎn)生的聲音）。二、分析題1.在BB84協(xié)議中，Alice使用隨機(jī)的基（{|0?,|1?}或{|+?,|-?}）對(duì)量子比特進(jìn)行編碼，并將編碼后的量子態(tài)發(fā)送給Bob。Eve若想竊聽，必須對(duì)量子態(tài)進(jìn)行測(cè)量。然而，Eve不知道Alice選擇的基。如果Eve使用與Alice不同的基進(jìn)行測(cè)量，她將無法獲得關(guān)于原始量子比特的準(zhǔn)確信息，并且她的測(cè)量會(huì)不可避免地改變量子比特的量子態(tài)。當(dāng)Bob公布他使用的基并公開比較部分測(cè)量結(jié)果時(shí)，Alice和Bob可以統(tǒng)計(jì)他們測(cè)量結(jié)果在相同基下的一致性。如果Eve的測(cè)量引入了過多的錯(cuò)誤，這種不一致性會(huì)超出隨機(jī)噪聲的預(yù)期范圍，從而被Bob發(fā)現(xiàn)Eve的存在。使用兩種不同的測(cè)量基增加了Eve選擇正確測(cè)量基的概率，降低了她成功竊聽的概率，并使得任何竊聽行為都更容易被檢測(cè)。2.E91協(xié)議利用了最大糾纏態(tài)（如Bell態(tài)）的特性。Alice和Bob通過隨機(jī)選擇測(cè)量方向?qū)蚕淼募m纏光子對(duì)進(jìn)行測(cè)量。如果存在竊聽者Eve，且Eve在某個(gè)中間節(jié)點(diǎn)對(duì)光子進(jìn)行測(cè)量，無論Eve如何測(cè)量，她都無法在不干擾光子狀態(tài)的前提下獲取信息，并且她的測(cè)量會(huì)破壞原始糾纏態(tài)。Bob和Alice在比較各自測(cè)量結(jié)果的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性時(shí)，會(huì)使用基于貝爾不等式的檢驗(yàn)。根據(jù)量子力學(xué)理論，最大糾纏態(tài)的測(cè)量結(jié)果滿足貝爾不等式。如果Eve進(jìn)行了測(cè)量，即使是無意識(shí)的或部分測(cè)量，也會(huì)引入額外的隨機(jī)性，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)分布偏離貝爾不等式所限定的上限。通過嚴(yán)格統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，如果觀察到超出貝爾不等式限定的相關(guān)性，Bob就能有很高的置信度斷定存在竊聽者Eve。3.設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)（DI-QKD）的基本思想是，QKD協(xié)議的安全性證明完全基于量子力學(xué)的原理，而與系統(tǒng)中使用的具體設(shè)備參數(shù)（如光源的單光子純度、探測(cè)器的效率等）無關(guān)。在DI-QKD中，即使攻擊者Eve擁有完美的設(shè)備，能夠完美地復(fù)制和測(cè)量量子態(tài)，只要她遵循協(xié)議的操作，她的行為仍然無法產(chǎn)生與合法用戶Alice和Bob之間基于量子力學(xué)原理產(chǎn)生的隨機(jī)性相同的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。DI-QKD通過巧妙的協(xié)議設(shè)計(jì)（例如，利用連續(xù)變量量子密碼學(xué)或特殊的糾纏態(tài)測(cè)量方案），使得即使攻擊者擁有理想設(shè)備，也無法預(yù)測(cè)或復(fù)制合法用戶之間的量子態(tài)演化過程，從而保證了安全性。這克服了傳統(tǒng)QKD中，設(shè)備不完美性可能被攻擊者利用來破解密鑰的局限性。4.將QKD通過普通光纖傳輸長(zhǎng)距離時(shí)遇到的主要問題是光纖的固有損耗（吸收和散射）會(huì)隨距離指數(shù)衰減，導(dǎo)致光子能量降低甚至消失，使得探測(cè)器難以接收足夠強(qiáng)度的信號(hào)，且會(huì)降低單光子傳輸率。此外，光纖中的各種噪聲（如自發(fā)輻射噪聲、Raman散射等）也會(huì)干擾量子態(tài)的傳輸，影響QKD系統(tǒng)的性能和安全性。自由空間量子通信（如在空間、大氣中或真空管道中傳輸光子）可以克服光纖損耗的限制，因?yàn)樽杂煽臻g傳輸?shù)膿p耗主要取決于大氣條件或真空中的基本散射，遠(yuǎn)低于光纖損耗。自由空間傳輸也便于實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，且抗電磁干擾能力更強(qiáng)，因此在長(zhǎng)距離和特殊環(huán)境下的量子通信中具有潛在優(yōu)勢(shì)，但也面臨大氣湍流、對(duì)準(zhǔn)精度要求高等挑戰(zhàn)。三、論述題1.量子密鑰分發(fā)（QKD）協(xié)議的安全性分為理論安全性和實(shí)現(xiàn)安全性。理論安全性是指協(xié)議在理想化的物理?xiàng)l件下（如完美單光子源、完美探測(cè)器、無損耗信道等）通過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)證明所保證的安全性，通?；诹孔恿W(xué)的基本原理。實(shí)現(xiàn)安全性則是指協(xié)議在實(shí)際物理設(shè)備上運(yùn)行時(shí)能夠達(dá)到的實(shí)際安全水平。兩者之間的區(qū)別在于：理論安全性是理想化的保證，而實(shí)現(xiàn)安全性是現(xiàn)實(shí)條件的反映。即使理論上某個(gè)QKD協(xié)議是安全的，在物理實(shí)現(xiàn)層面仍可能存在安全漏洞，原因在于實(shí)際設(shè)備往往難以達(dá)到理論上的完美性。例如，光源可能發(fā)射非單光子態(tài)，探測(cè)器可能有暗計(jì)數(shù)或效率不理想，信道可能存在未知的損耗或退相干。這些非理想因素可能被攻擊者利用，或者可能使得協(xié)議在實(shí)際運(yùn)行中偏離理論模型的假設(shè)，從而引入安全風(fēng)險(xiǎn)。側(cè)信道攻擊是實(shí)現(xiàn)安全性的一個(gè)重要考量，攻擊者可能通過測(cè)量設(shè)備功耗、電磁輻射、散粒噪聲等非量子信道的信息來推斷密鑰。因此，QKD不僅需要關(guān)注量子信道本身的安全性，還需要全面考慮包括側(cè)信道在內(nèi)的整個(gè)系統(tǒng)安全。2.是的，量子信息傳輸除了密鑰分發(fā)之外，還能實(shí)現(xiàn)其他形式的安全通信。量子安全直接通信（QSDC）是一種利用量子力學(xué)原理直接在量子信道上傳輸加密信息的協(xié)議，它不依賴于傳統(tǒng)的基于經(jīng)典密碼學(xué)的加密方法。QSDC的基本概念是利用量子態(tài)的某些特殊屬性（如量子不可克隆定理、量子糾纏等）來保證通信內(nèi)容的機(jī)密性。例如，某些QSDC協(xié)議可以利用糾纏粒子對(duì)，使得即使竊聽者Eve獲取了一個(gè)粒子，也無法在不破壞另一個(gè)粒子狀態(tài)（被合法接收者接收）的情況下獲取任何信息，從而保