2025年大學(xué)《量子信息科學(xué)》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——量子信息傳輸中的量子通信網(wǎng)研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題1.量子密鑰分發(fā)（QKD）利用量子力學(xué)基本原理保證密鑰分發(fā)的安全性，以下哪項(xiàng)不是其基本原理？()A.量子不可克隆定理B.量子測(cè)量塌縮C.量子疊加態(tài)D.經(jīng)典信息論2.在BB84量子密鑰分發(fā)協(xié)議中，密鑰生成過(guò)程中需要引入的隨機(jī)性主要來(lái)源于？()A.量子信道的物理特性B.發(fā)送方和接收方共享的經(jīng)典秘密密鑰C.發(fā)送方選擇的基向量序列D.協(xié)作第三方對(duì)信道的愛(ài)因斯坦干擾3.量子隱形傳態(tài)（QIT）的核心思想是傳輸一個(gè)未知量子態(tài)的信息，而不是傳輸量子態(tài)本身，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的媒介是？()A.量子存儲(chǔ)器B.量子信道C.量子糾纏D.經(jīng)典通信4.對(duì)于量子通信網(wǎng)絡(luò)而言，量子中繼器的功能類(lèi)似于經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)中的？()A.調(diào)制解調(diào)器（Modem）B.路由器C.中繼站D.網(wǎng)關(guān)5.以下哪種量子通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常用于連接多個(gè)量子終端，并支持多跳量子通信？()A.點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路B.星型網(wǎng)絡(luò)C.網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)D.樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)6.量子存儲(chǔ)器在量子通信網(wǎng)絡(luò)中扮演著重要角色，其主要作用之一是？()A.提高量子信道的傳輸速率B.增強(qiáng)量子密鑰分發(fā)的安全性C.延長(zhǎng)量子信息的保持時(shí)間，實(shí)現(xiàn)量子中繼D.減少量子測(cè)量的錯(cuò)誤概率7.導(dǎo)致量子密鑰分發(fā)（QKD）實(shí)際應(yīng)用距離受限的主要因素是？()A.量子比特的錯(cuò)誤率隨距離呈指數(shù)增長(zhǎng)B.需要使用復(fù)雜的量子中繼器C.協(xié)作第三方難以接入D.經(jīng)典通信帶寬不足8.量子通信網(wǎng)絡(luò)面臨的主要安全威脅之一是側(cè)信道攻擊，以下哪種攻擊方式屬于測(cè)量攻擊？()A.電磁泄漏分析B.光學(xué)失真分析C.量子態(tài)層測(cè)量D.網(wǎng)絡(luò)流量分析9.在量子通信網(wǎng)絡(luò)中，量子路由協(xié)議需要考慮的關(guān)鍵因素不包括？()A.量子態(tài)的保真度B.網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)C.經(jīng)典控制信息量D.用戶(hù)的信用評(píng)級(jí)10.量子互聯(lián)網(wǎng)作為未來(lái)信息網(wǎng)絡(luò)的重要形態(tài)，其潛在優(yōu)勢(shì)不包括？()A.實(shí)現(xiàn)絕對(duì)安全的通信B.實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)程量子隱形傳態(tài)C.實(shí)現(xiàn)分布式量子計(jì)算D.實(shí)現(xiàn)無(wú)需加密的經(jīng)典數(shù)據(jù)傳輸二、填空題1.量子密鑰分發(fā)（QKD）協(xié)議的安全性基于量子力學(xué)的__________和__________原理。2.在E91量子密鑰分發(fā)協(xié)議中，通過(guò)測(cè)量不同角度下單光子偏振態(tài)的__________來(lái)探測(cè)竊聽(tīng)者的存在。3.量子隱形傳態(tài)通常需要發(fā)送方和接收方預(yù)先共享一個(gè)處于__________的量子態(tài)對(duì)。4.實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離量子通信的關(guān)鍵技術(shù)之一是量子__________，它能夠克服量子信道衰減和噪聲的影響。5.量子通信網(wǎng)絡(luò)中，用于在節(jié)點(diǎn)之間傳輸量子信息的物理媒介稱(chēng)為_(kāi)_________。6.量子網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì)需要考慮量子信道的__________和量子態(tài)的__________特性。7.為了抵抗側(cè)信道攻擊，量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)常采用__________編碼和量子隨機(jī)數(shù)生成等技術(shù)。8.量子路由算法的目標(biāo)是在保證量子信息傳輸__________的前提下，選擇最優(yōu)的傳輸路徑。9.量子互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展將可能融合量子通信、__________和量子計(jì)算等多種技術(shù)。10.與經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)相比，量子通信網(wǎng)絡(luò)在路由和資源分配方面具有更高的__________。三、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述量子密鑰分發(fā)（QKD）協(xié)議的基本工作流程。2.解釋什么是量子糾纏，并說(shuō)明其在量子通信（如量子隱形傳態(tài)）中的作用。3.簡(jiǎn)述量子中繼器在量子通信網(wǎng)絡(luò)中需要解決的主要技術(shù)挑戰(zhàn)。4.比較星型量子通信網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀量子通信網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)。5.簡(jiǎn)述量子通信網(wǎng)絡(luò)面臨的典型安全威脅類(lèi)型及其應(yīng)對(duì)方法。四、計(jì)算題1.假設(shè)一個(gè)BB84量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，在單光子傳輸過(guò)程中，假設(shè)探測(cè)器效率和量子態(tài)保真度均為90%，平均每發(fā)送1000個(gè)量子比特，會(huì)錯(cuò)誤地判定為100個(gè)比特。請(qǐng)計(jì)算該系統(tǒng)的密鑰生成率（密鑰比特/秒），假設(shè)傳輸速率為1Mbps，密鑰分發(fā)效率為50%。2.考慮一個(gè)簡(jiǎn)單的量子通信網(wǎng)絡(luò)，包含三個(gè)節(jié)點(diǎn)A、B、C，節(jié)點(diǎn)B是連接A和C的中繼節(jié)點(diǎn)。假設(shè)A到B的量子信道保真度為0.9，B到C的量子信道保真度為0.8，且量子態(tài)在節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)和處理的保真度均為0.95。請(qǐng)估算一個(gè)量子比特從A傳輸?shù)紺，經(jīng)過(guò)節(jié)點(diǎn)B中繼后的最終保真度。五、論述題結(jié)合當(dāng)前研究進(jìn)展，論述構(gòu)建廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)面臨的主要挑戰(zhàn)，并提出你認(rèn)為至少三種有前景的技術(shù)解決方案或研究方向。試卷答案一、選擇題1.D2.C3.C4.C5.C6.C7.A8.C9.D10.D二、填空題1.量子不可克隆，測(cè)量塌縮2.量子關(guān)聯(lián)性3.量子糾纏4.中繼器5.量子信道6.退相干，保真度7.量子安全8.保真度9.經(jīng)典計(jì)算10.復(fù)雜性三、簡(jiǎn)答題1.解析思路：需要按步驟描述QKD工作流程。首先，發(fā)送方和接收方隨機(jī)選擇基向量（如水平/垂直基或+/-基）。發(fā)送方根據(jù)選擇的基向量對(duì)量子態(tài)進(jìn)行編碼發(fā)送。接收方獨(dú)立選擇基向量進(jìn)行測(cè)量。雙方通過(guò)公開(kāi)的經(jīng)典信道比較測(cè)量使用的基向量是否相同，對(duì)于基向量相同的角度，將測(cè)量結(jié)果用于生成密鑰。最后，雙方通過(guò)經(jīng)典信道進(jìn)行密鑰驗(yàn)證（如比較部分密鑰、計(jì)算錯(cuò)誤率）以確認(rèn)密鑰的可靠性。2.解析思路：定義量子糾纏：兩個(gè)或多個(gè)量子比特之間存在一種特殊關(guān)聯(lián)，使得它們的狀態(tài)無(wú)法單獨(dú)描述，即使它們相隔遙遠(yuǎn)。作用：在量子隱形傳態(tài)中，利用預(yù)先共享的糾纏對(duì)作為“通道”，將一個(gè)未知量子態(tài)的信息（其量子態(tài)矢量）傳輸?shù)搅硪粋€(gè)遙遠(yuǎn)的量子比特上，而不需要直接傳輸該量子態(tài)本身。3.解析思路：QKD距離受限主要因?yàn)楣庾釉谛诺乐袀鬏敃?huì)衰減和引入噪聲。中繼器需解決：如何在不破壞量子態(tài)的前提下放大或再生光子信號(hào)；如何保持遠(yuǎn)距離傳輸中量子態(tài)的相干性和保真度；如何實(shí)現(xiàn)高效的量子存儲(chǔ)和讀取操作；如何將量子信息在節(jié)點(diǎn)間可靠傳輸。量子中繼器本身也面臨技術(shù)挑戰(zhàn)，如自身噪聲、操作復(fù)雜性等。4.解析思路：星型網(wǎng)絡(luò)：所有節(jié)點(diǎn)直接或間接連接到一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于管理和擴(kuò)展。缺點(diǎn)是中心節(jié)點(diǎn)是單點(diǎn)故障，且長(zhǎng)距離傳輸需經(jīng)過(guò)中心節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)：節(jié)點(diǎn)之間有多條直接連接路徑。優(yōu)點(diǎn)是冗余度高，單條鏈路故障不影響整體通信，適合構(gòu)建更靈活、容錯(cuò)性強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)。缺點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋸?fù)雜，路由控制更復(fù)雜。比較兩者在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、可靠性、復(fù)雜度上的差異。5.解析思路：主要威脅類(lèi)型：側(cè)信道攻擊（測(cè)量攻擊、功率攻擊、時(shí)間攻擊、位置攻擊等）、共謀攻擊、量子計(jì)算機(jī)攻擊（未來(lái)威脅）。應(yīng)對(duì)方法：針對(duì)測(cè)量攻擊，采用量子安全編碼（如GHZ編碼）、隨機(jī)化傳輸、量子密鑰綁定等技術(shù)；針對(duì)功率和時(shí)間攻擊，采用幅度和相位調(diào)制、隨機(jī)脈沖整形、同步攻擊檢測(cè)等；針對(duì)共謀攻擊，設(shè)計(jì)抗共謀QKD協(xié)議；針對(duì)未來(lái)量子計(jì)算機(jī)威脅，研究抗量子算法和協(xié)議。四、計(jì)算題1.解析思路：*首先，計(jì)算誤碼率P_err。已知平均每發(fā)送1000個(gè)比特，錯(cuò)誤判定100個(gè)比特，且探測(cè)器效率和保真度均為90%（即誤判概率為10%），假設(shè)錯(cuò)誤主要源于探測(cè)器或保真度問(wèn)題。P_err≈100/1000=0.1。但這只是一個(gè)宏觀統(tǒng)計(jì)值，更精確的計(jì)算應(yīng)基于單個(gè)比特保真度。設(shè)單個(gè)比特傳輸保真度為F=0.9，探測(cè)器效率η=0.9，則單個(gè)比特誤判概率P_bit=(1-F)+F*(1-η)=(1-0.9)+0.9*(1-0.9)=0.1+0.9*0.1=0.19。這里用0.19作為P_err近似值。*密鑰生成率K=傳輸速率R*密鑰分發(fā)效率η_k*(1-P_err)/N。其中，R=1Mbps=10^6bps，η_k=0.5，N為產(chǎn)生1比特密鑰所需的平均比特?cái)?shù)。通常N與1/P_err相關(guān)，這里簡(jiǎn)化估算N≈1/P_err=1/0.19≈5.26?；蛘吒Ｓ玫哪Ｐ褪荖=1/(P_err*sqrt(F))，但此處按簡(jiǎn)單線性關(guān)系估算。K≈10^6*0.5*(1-0.19)/5.26≈10^6*0.5*0.81/5.26≈10^6*0.405/5.26≈77325.5bps。考慮單位換算，約77.3kbps。（注意：此計(jì)算為簡(jiǎn)化估算，實(shí)際系統(tǒng)模型更復(fù)雜）。*更標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算：K=R*η_k*(1-P_err)/(1+(1-F)/P_err)=R*η_k*(1-P_err)/(1+(1-0.9)/0.19)=R*η_k*(1-P_err)/(1+0.1/0.19)=R*η_k*(1-P_err)/1.5263=10^6*0.5*0.81/1.5263≈267021bps≈267.0kbps。*答案：密鑰生成率約為267kbps。2.解析思路：*設(shè)A到B信道保真度為F_AB=0.9，B到C信道保真度為F_BC=0.8，節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)和處理保真度F_node=0.95。*量子比特在A經(jīng)過(guò)節(jié)點(diǎn)處理到達(dá)B，其保真度：F_AB'=F_node*F_AB=0.95*0.9=0.855。*量子比特從B經(jīng)過(guò)節(jié)點(diǎn)處理到達(dá)C，其保真度：F_BC'=F_node*F_BC=0.95*0.8=0.76。*最終從A到C經(jīng)過(guò)B中繼的保真度是兩段保真度的乘積：F_final=F_AB'*F_BC'=0.855*0.76=0.6498。*答案：最終保真度約為0.6498。五、論述題解析思路：1.闡述挑戰(zhàn)：*信道損耗與距離限制：光子在光纖或自由空間中傳輸會(huì)經(jīng)歷衰減，限制了QKD和QIT的實(shí)際傳輸距離。*噪聲與干擾：信道噪聲、環(huán)境干擾、光源非理想特性等都會(huì)降低量子態(tài)的保真度，影響QKD的安全性和QIT的效率。*量子中繼器技術(shù)瓶頸：實(shí)現(xiàn)高性能、廣譜、低損耗、小型化的量子中繼器仍是巨大挑戰(zhàn)，尤其是在單光子層面。*網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c路由：如何構(gòu)建大規(guī)模、靈活、可擴(kuò)展的量子網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌约霸O(shè)計(jì)高效的量子路由協(xié)議，是網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的關(guān)鍵。*標(biāo)準(zhǔn)化與互操作性：缺乏統(tǒng)一的量子網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)和接口，阻礙了不同設(shè)備、不同廠商系統(tǒng)的互聯(lián)互通。*安全性問(wèn)題：除了側(cè)信道攻擊，還需應(yīng)對(duì)未來(lái)量子計(jì)算機(jī)的威脅，以及網(wǎng)絡(luò)層的安全防護(hù)。*成本與集成：高質(zhì)量的量子光源、探測(cè)器、存儲(chǔ)器等設(shè)備成本高昂，小型化和集成化面臨挑戰(zhàn)。2.提出解決方案/研究方向：*高性能量子中繼器：研究基于原子、離子、光子晶體等的新型量子存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換方案，提高中繼器的保真度和傳輸效率，實(shí)現(xiàn)多量子比特中繼。探索無(wú)中繼量子網(wǎng)絡(luò)方案，如使用高品質(zhì)單光子源和低損耗信道傳輸QKD。*新型量子通信協(xié)議：研究抗噪聲QKD協(xié)議、分布式量子存儲(chǔ)增強(qiáng)QKD、基于糾纏交換的量子網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等，提高系統(tǒng)在惡劣信道條件