2025年大學《量子信息科學》專業(yè)題庫——量子信息科學對通信技術(shù)的發(fā)展影響考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請將正確選項的代表字母填在題后的括號內(nèi)。每小題2分，共20分）1.量子比特（qubit）與經(jīng)典比特的主要區(qū)別在于其能夠利用量子力學的（）來實現(xiàn)信息存儲。A.測量不確定性B.波粒二象性C.疊加性D.確定性2.量子密鑰分發(fā)（QKD）的核心安全性基礎源于量子力學中的（）。A.中心極限定理B.量子不可克隆定理C.海森堡不確定性原理D.愛因斯坦相對論3.在BB84量子密鑰分發(fā)協(xié)議中，用于在密鑰生成階段進行隨機選擇的是（）。A.量子態(tài)的偏振基B.經(jīng)典隨機數(shù)生成器C.量子糾纏對D.密鑰存儲單元4.量子隱形傳態(tài)的主要作用是（）。A.在經(jīng)典信道上高速傳輸量子比特B.在量子信道上傳輸經(jīng)典信息C.將一個未知量子態(tài)從一個地點傳輸?shù)搅硪粋€地點，同時本地進行測量D.克隆一個未知量子態(tài)5.量子通信目前面臨的主要技術(shù)瓶頸之一是（）。A.量子計算機的算力不足B.量子比特的相干時間太長C.單光子源的亮度不夠高D.量子協(xié)議過于復雜6.能夠探測單個光子到達的探測器屬于（）。A.光功率計B.雪崩光電二極管（APD）C.單光子探測器（SPD）D.光纖放大器7.量子存儲器在量子通信網(wǎng)絡中的作用主要是（）。A.增強信號強度B.存儲經(jīng)典密鑰C.延遲量子態(tài)信息，實現(xiàn)量子中繼D.提高量子比特穩(wěn)定性8.量子衛(wèi)星（如“墨子號”）主要用于（）。A.進行天文觀測B.提供全球?qū)Ш蕉ㄎ籆.實現(xiàn)星地量子通信D.傳輸大容量經(jīng)典數(shù)據(jù)9.量子互聯(lián)網(wǎng)與經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)的主要區(qū)別在于其基礎傳輸單元是（）。A.比特（bit）B.字節(jié)（byte）C.量子比特（qubit）D.光脈沖10.后量子密碼學研究的重點是（）。A.利用量子計算機破解現(xiàn)有公鑰密碼B.利用量子密鑰分發(fā)增強現(xiàn)有加密C.設計抗量子計算機攻擊的密碼算法D.實現(xiàn)量子存儲器的長期存儲二、填空題（請將正確答案填在橫線上。每空2分，共20分）1.量子比特處于0和1的疊加態(tài)，可以表示為|ψ?=α|0?+β|1?，其中|α|2和|β|2分別代表測量得到0和1的______。2.量子糾纏是指兩個或多個量子比特之間存在一種特殊的關(guān)聯(lián)，即使它們相距遙遠，測量其中一個的狀態(tài)會瞬時影響另一個的狀態(tài)，這種特性被稱為______。3.目前實現(xiàn)量子密鑰分發(fā)的主要物理平臺包括光纖和______兩種。4.量子通信網(wǎng)絡要實現(xiàn)廣域覆蓋，需要克服的主要技術(shù)挑戰(zhàn)是______問題。5.量子密鑰分發(fā)的安全性源于量子力學的基本原理，即使攻擊者擁有無限的計算能力，也無法在不破壞量子態(tài)的情況下復制密鑰，這體現(xiàn)了______的重要性。6.量子隱形傳態(tài)的過程通常需要借助一個______和經(jīng)典通信渠道來完成信息的傳輸。7.評價單光子探測器的關(guān)鍵參數(shù)包括探測效率、暗計數(shù)率和______。8.量子repeater的研究目標是解決長距離量子通信中量子態(tài)衰減和______的問題。9.量子互聯(lián)網(wǎng)的最終目標之一是實現(xiàn)基于量子資源的______，提供超越經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)的安全通信能力。10.除了直接威脅現(xiàn)有公鑰密碼體系外，量子計算的發(fā)展也對基于______的量子密鑰分發(fā)協(xié)議的安全性提出了新的挑戰(zhàn)。三、簡答題（請簡要回答下列問題。每小題5分，共20分）1.簡述量子不可克隆定理的內(nèi)容及其對量子通信（特別是QKD）的意義。2.與經(jīng)典通信相比，量子通信在安全性方面具有哪些顯著優(yōu)勢？3.簡述星地量子通信相較于地面量子通信在實現(xiàn)長距離傳輸方面的主要優(yōu)勢。4.簡要說明量子密鑰分發(fā)（QKD）系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵工程問題。四、論述題（請就下列問題展開論述。每小題10分，共20分）1.論述量子糾纏在量子通信（包括QKD和量子隱形傳態(tài)）中的核心作用。2.分析當前量子通信技術(shù)從實驗室走向大規(guī)模商業(yè)化應用所面臨的主要挑戰(zhàn)，并提出可能的解決方案。試卷答案一、選擇題1.C2.B3.A4.C5.C6.C7.C8.C9.C10.C二、填空題1.概率2.糾纏3.自由空間（或空腔）4.量子退相干（或量子糾纏破壞）5.量子不可克隆定理6.量子糾纏（或糾纏態(tài)）7.時間分辨率（或串擾）8.退相干（或相干性損耗）9.量子密鑰分發(fā)（或QKD）10.量子態(tài)測量（或測量）三、簡答題1.量子不可克隆定理指出，任何一個量子態(tài)都無法被完美地復制。具體來說，對于任意兩個相同的量子態(tài)|ψ?，不可能存在一個量子操作U，使得U|ψ?|Φ?=|ψ?|ψ?，其中|Φ?是任意另一個量子態(tài)。該定理保證了量子信息的獨特性，使得攻擊者無法在不被察覺的情況下復制量子密鑰，從而為QKD提供了理論基礎。如果攻擊者能完美復制密鑰量子態(tài)，就可以通過測量來破解密鑰，但量子不可克隆定理阻止了這種行為。2.量子通信的主要安全優(yōu)勢在于其安全性基于量子力學的基本原理，而非數(shù)學難題。QKD利用了量子不可克隆定理和測量塌縮特性，理論上可以實現(xiàn)信息傳輸?shù)慕^對安全（針對竊聽攻擊）。即使攻擊者擁有無限計算能力，也無法破解基于QKD的密鑰，因為任何竊聽行為都會不可避免地干擾量子態(tài)，從而被合法用戶檢測出來。相比之下，經(jīng)典加密（如RSA）的安全性依賴于某些數(shù)學問題的計算難度（如大數(shù)分解），理論上存在被量子計算機破解的風險。3.星地量子通信的主要優(yōu)勢在于克服了地面光纖傳輸中長達數(shù)千公里的距離限制和易于被竊聽的問題。光纖傳輸中，光子在長距離傳輸中會衰減，且易受電磁干擾和人為竊聽；自由空間（如大氣層或外太空）傳輸雖然也會受到大氣湍流、衰減等影響，但可以利用衛(wèi)星平臺進行中繼，實現(xiàn)真正意義上的點對點或星基覆蓋，極大地擴展了量子通信的距離和覆蓋范圍，為構(gòu)建全球化的量子互聯(lián)網(wǎng)提供了可能。4.QKD系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵工程問題包括：①光源問題：獲得高質(zhì)量、高亮度、高純度的單光子源，并實現(xiàn)其與通信系統(tǒng)的兼容；②探測器問題：研制高效率、低噪聲、高速的單光子探測器，并解決暗計數(shù)率問題；③信道問題：處理光纖傳輸中的損耗和退相干，以及自由空間傳輸中的大氣影響和噪聲；④中繼問題：開發(fā)可靠的量子repeater技術(shù)，以實現(xiàn)超長距離的量子密鑰分發(fā)；⑤系統(tǒng)集成與穩(wěn)定性：將各種組件集成成穩(wěn)定、可靠、成本可控的量子通信系統(tǒng)，并保證其長期穩(wěn)定運行；⑥安全性認證：實現(xiàn)高效、實時的安全認證，確保密鑰分發(fā)的安全性。四、論述題1.量子糾纏是量子通信的基石，其核心作用體現(xiàn)在以下幾個方面：①在QKD中，量子糾纏被用于構(gòu)建安全的密鑰。例如，在E91協(xié)議中，利用了兩個處于糾纏態(tài)的單光子對的測量結(jié)果之間的關(guān)聯(lián)性來探測竊聽。即使竊聽者無法復制光子態(tài)，其測量行為也會破壞糾纏，導致合法用戶和竊聽者之間產(chǎn)生可檢測的統(tǒng)計偏差，從而保證安全性。糾纏關(guān)聯(lián)確保了密鑰生成的共享秘密性。②在量子隱形傳態(tài)中，量子糾纏扮演了“傳輸管道”的角色。發(fā)送方和接收方各持有糾纏態(tài)的一部分，發(fā)送方通過對本地量子態(tài)和來自發(fā)送方的糾纏粒子進行聯(lián)合測量，將待傳輸量子態(tài)的信息編碼到另一個糾纏粒子中，并通過經(jīng)典信道將測量結(jié)果發(fā)送給接收方。接收方根據(jù)測量結(jié)果和本地持有的糾纏粒子，可以重構(gòu)出原始的量子態(tài)。整個過程利用了糾纏的非定域性，實現(xiàn)了量子態(tài)的遠程傳輸，其安全性同樣基于量子力學原理。2.當前量子通信技術(shù)走向大規(guī)模商業(yè)化應用面臨的主要挑戰(zhàn)及可能的解決方案：主要挑戰(zhàn)包括：①技術(shù)成熟度與穩(wěn)定性：現(xiàn)有QKD系統(tǒng)性能（如距離、速率、穩(wěn)定性）仍有待提高，難以滿足現(xiàn)有通信網(wǎng)絡的需求。②成本問題：高性能的單光子源、探測器等核心器件成本高昂，導致系統(tǒng)整體造價過高。③基礎設施兼容性：量子通信需要與現(xiàn)有經(jīng)典通信網(wǎng)絡（光纖、無線等）進行融合，接口、協(xié)議等方面存在兼容性問題。④量子repeater的瓶頸：實現(xiàn)廣域量子通信需要可靠的量子repeater，目前該技術(shù)仍處于早期研究階段，面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。⑤標準化與產(chǎn)業(yè)鏈：缺乏統(tǒng)一的國際標準，量子通信產(chǎn)業(yè)鏈尚未完善，商業(yè)化推廣缺乏支持。⑥安全性與認證：如何在實際復雜環(huán)境中有效實施QKD，并確保其長期安全性，以及如何進行高效的安全認證，都是需要解決的問題?？赡艿慕鉀Q方案：①持續(xù)研發(fā)與性能提升：加大投入，推動光源、探測器、信道技術(shù)等不斷進步，降低成本，提高系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性。②發(fā)展集成化、小型化器件：采用微納加工、量子芯片等技術(shù)，研制集成度更高、體積更小的量子器件，降低系統(tǒng)復雜度和成本。③探索混合系統(tǒng)：研究經(jīng)典與量子相結(jié)合的混合通信系統(tǒng)