2025年大學《量子信息科學》專業(yè)題庫——量子通信系統(tǒng)的性能分析及測試考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述量子密鑰分發(fā)（QKD）的基本原理，并說明其相對于經(jīng)典密鑰分發(fā)的安全性優(yōu)勢。二、定義量子通信系統(tǒng)中的密鑰生成率（KeyRate）和密鑰生存距離（SecretKeyDistance）。假設(shè)一個基于BB84協(xié)議的QKD系統(tǒng)，使用的量子信道損耗為$\delta$，單光子探測器的效率為$\eta$，試定性分析這兩個性能指標如何隨著$\delta$和$\eta$的變化而變化。三、什么是量子糾纏？簡述量子糾纏在量子隱形傳態(tài)（QST）中的作用。一個量子隱形傳態(tài)過程，初始量子態(tài)為$\frac{1}{\sqrt{2}}(|00\rangle+|11\rangle)$，傳輸量子比特處于$|0\rangle$態(tài)，共享糾纏糾纏對處于$|+\rangle=\frac{1}{\sqrt{2}}(|00\rangle+|11\rangle)$態(tài)。接收端測量其本地量子比特后得到結(jié)果為$|1\rangle$，請寫出傳輸量子比特狀態(tài)的表達式（無需計算，直接寫出結(jié)果形式）。四、在QKD系統(tǒng)中，什么是測量設(shè)備相關(guān)攻擊（MDIAttack）？它與非測量設(shè)備相關(guān)攻擊（NMDIAttack）的主要區(qū)別是什么？五、列舉至少三種影響QKD系統(tǒng)性能的關(guān)鍵物理因素，并簡要說明每種因素如何影響密鑰生成率或安全性。六、描述一個QKD系統(tǒng)性能測試的基本流程。需要測量哪些關(guān)鍵參數(shù)？如何根據(jù)測量結(jié)果評估系統(tǒng)的實際性能是否滿足要求？七、當前量子通信距離受限的主要技術(shù)挑戰(zhàn)是什么？請至少提出兩種擴展QKD系統(tǒng)通信距離的技術(shù)途徑，并簡述其基本思想。八、試分析將量子通信網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)融合可能面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)和需要解決的問題。試卷答案一、QKD利用量子力學基本原理（如不確定性原理、測量塌縮、不可克隆定理）進行密鑰分發(fā)。信息承載在量子態(tài)（如光子偏振態(tài)）上，任何竊聽者的測量都會不可避免地干擾量子態(tài)，從而被合法用戶檢測到。例如，在BB84協(xié)議中，竊聽者無法精確復制未知量子態(tài)，其測量行為會引入統(tǒng)計偏差，導致合法用戶和竊聽者之間密鑰錯誤率升高，從而可以被發(fā)現(xiàn)。這種基于物理定律的不可偽造性和可探測性，保證了QKD協(xié)議的安全性，這是經(jīng)典密鑰分發(fā)無法比擬的。二、密鑰生成率（KeyRate）是指單位時間內(nèi)可以安全生成的密鑰比特數(shù)。密鑰生存距離是指在不中斷密鑰分發(fā)的前提下，QKD系統(tǒng)可以傳輸?shù)淖畲缶嚯x。隨著量子信道損耗$\delta$的增加，光子傳輸衰減加劇，到達接收端的信號強度減弱，單光子到達率降低，導致探測器誤碼率上升，最終使得密鑰生成率顯著下降，甚至無法生成密鑰；同時，信號衰減也限制了能維持穩(wěn)定傳輸和密鑰分發(fā)的距離，即縮短了密鑰生存距離。探測器效率$\eta$的降低，意味著探測器正確探測到單光子的能力減弱，同樣會導致接收端誤碼率升高，從而降低密鑰生成率；$\eta$的降低也會因為更低的信號質(zhì)量和更易受噪聲影響而減小密鑰生存距離。三、量子糾纏是指兩個或多個量子粒子之間存在的一種特殊關(guān)聯(lián)，使得它們的量子態(tài)不能獨立描述，測量一個粒子的狀態(tài)會瞬時影響到另一個或另一些粒子的狀態(tài)，無論它們相隔多遠。在量子隱形傳態(tài)中，量子糾纏用于建立傳輸量子比特和粒子對之間的關(guān)聯(lián)。初始狀態(tài)$|\psi_{AB}\rangle=\frac{1}{\sqrt{2}}(|00\rangle+|11\rangle)$是傳輸量子比特（A）與粒子對（B）的混合態(tài)，共享糾纏糾纏對處于$|+\rangle=\frac{1}{\sqrt{2}}(|00\rangle+|11\rangle)$態(tài)。Alice在本地對粒子A和粒子B進行貝爾測量，然后根據(jù)測量結(jié)果以及預先共享的經(jīng)典密鑰，對粒子C（待傳量子比特）進行相應的幺正變換。接收端Bob收到粒子C后，也進行相應的幺正變換。當Alice的貝爾測量結(jié)果為$|1\rangle$時，表示她的粒子A和粒子B的狀態(tài)是$|11\rangle$（根據(jù)$|+\rangle$態(tài)的投影測量結(jié)果），此時傳輸量子比特C的狀態(tài)經(jīng)過Alice的幺正變換（對$|0\rangle$應用$|1\rangle$對應的變換）后，其狀態(tài)為$|1\rangle$。所以，傳輸量子比特狀態(tài)的表達式為$|1\rangle$。四、測量設(shè)備相關(guān)攻擊（MDIAttack）是一種針對QKD系統(tǒng)（特別是某些BB84協(xié)議實現(xiàn)）的攻擊方式，攻擊者不僅竊聽信道，還通過控制或干擾Alice和Bob之間共享的經(jīng)典信道，間接影響B(tài)ob端的測量設(shè)備選擇或參數(shù)，從而獲取信息。其攻擊重點在于操縱或測量與合法用戶測量相關(guān)的設(shè)備狀態(tài)。非測量設(shè)備相關(guān)攻擊（NMDIAttack）則是指攻擊者主要通過竊聽量子信道、分析探測器輸出光子統(tǒng)計特性或進行其他間接測量來獲取信息，攻擊者不直接操縱或測量Alice和Bob的測量設(shè)備本身。MDI攻擊利用了某些QKD實現(xiàn)中Alice和Bob測量設(shè)備選擇與經(jīng)典信道狀態(tài)相關(guān)的漏洞，而NMDI攻擊則更側(cè)重于對量子信號本身的竊聽和分析。五、影響QKD系統(tǒng)性能的關(guān)鍵物理因素包括：1.信道損耗：光子在傳輸過程中因介質(zhì)吸收、散射等原因能量衰減，導致到達接收端的信號強度減弱，降低單光子探測概率，增加誤碼率，最終降低密鑰生成率和縮短密鑰生存距離。2.噪聲干擾：包括信道固有噪聲（如背景光、散粒噪聲）、環(huán)境噪聲（如電磁干擾）以及可能的竊聽引入的噪聲。噪聲會降低探測器的信噪比，直接導致誤碼率升高，影響密鑰質(zhì)量。3.探測器性能限制：單光子探測器（如SPAD）的效率（$\eta$）、暗計數(shù)率（DCR）、響應時間、時間抖動等參數(shù)的限制，都會影響系統(tǒng)的探測能力、誤碼率和密鑰生成率。例如，低效率導致漏檢單光子，高暗計數(shù)率引入虛假信號，時間抖動影響時間序列分析。六、QKD系統(tǒng)性能測試的基本流程通常包括：首先，搭建或選用待測的QKD系統(tǒng)原型；其次，依據(jù)所使用的QKD協(xié)議和性能指標要求，設(shè)計測試方案；接著，在特定的信道條件下（如已知的損耗），進行長時間的穩(wěn)定運行測試；然后，使用高精度的測量設(shè)備，對接收端的光功率、探測器計數(shù)、誤碼率等進行精確測量；同時，監(jiān)測和記錄系統(tǒng)的運行狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)；最后，根據(jù)測量數(shù)據(jù)，計算關(guān)鍵性能指標（如密鑰生成率、誤碼率、密鑰生存距離等），并將測量結(jié)果與設(shè)計指標進行比較，評估系統(tǒng)性能是否達標，分析性能瓶頸。七、當前量子通信距離受限的主要技術(shù)挑戰(zhàn)是量子信道的損耗限制。光子在長距離光纖或自由空間傳輸中會不斷衰減，使得信號強度減弱，單光子到達率過低，導致探測器無法有效工作，誤碼率急劇上升，密鑰生成率接近零，密鑰生存距離非常有限。擴展QKD系統(tǒng)通信距離的技術(shù)途徑包括：1.量子中繼器（QuantumRepeater）：通過在中間節(jié)點對衰減的量子態(tài)進行存儲、補償和轉(zhuǎn)發(fā)，克服長距離傳輸損耗。主要有存儲式中繼器、轉(zhuǎn)發(fā)性中繼器等類型，需要解決量子存儲、量子計算（門操作）和糾纏交換等技術(shù)難題。2.使用低損耗傳輸介質(zhì)：如采用自由空間傳輸（衛(wèi)星通信、大氣信道）代替光纖傳輸，尤其是在某些大氣窗口，光子衰減較小?；蛘唛_發(fā)新型低損耗量子光纖。八、將量子通信網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)融合面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)和需要解決的問題包括：1.接口技術(shù)：需要開發(fā)高效、可靠的量子與經(jīng)典接口設(shè)備，實現(xiàn)量子信號與經(jīng)典信號之間的轉(zhuǎn)換、路由和復用。2.協(xié)議兼容性：量子通信協(xié)議（如QKD、QST）與經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（如TCP/IP）在數(shù)據(jù)格式、傳輸規(guī)則、網(wǎng)絡(luò)拓撲等方面存在巨大差異，需要設(shè)計兼容或轉(zhuǎn)譯機制。3.資源分配與管理：如何在共享的網(wǎng)絡(luò)資源（如帶寬、節(jié)點處理能力）中，有效分配和管理量子資源（如糾纏、單光子），避免相互干擾，保證服務質(zhì)量。4.網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計：設(shè)計支持量子通信的新