2025年大學(xué)《量子信息科學(xué)》專業(yè)題庫——量子保密傳輸?shù)脑砗图夹g(shù)考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分）1.量子不可克隆定理指出，任何關(guān)于未知量子態(tài)的測量都不可避免地會改變該量子態(tài)。這一基本原理直接支撐了量子密鑰分發(fā)的哪種安全性特征？A.完美安全性B.計算安全性C.不可復(fù)制性安全性D.抗干擾安全性2.在BB84量子密鑰分發(fā)協(xié)議中，發(fā)送方隨機(jī)選擇兩種不同的量子測量基（例如，基|0?和|1?，或基|+?和|-?）來編碼信息比特。接收方則使用一種固定的測量基進(jìn)行測量。這種設(shè)計的核心目的是什么？A.提高密鑰生成速率B.增強(qiáng)量子態(tài)的穩(wěn)定性C.實現(xiàn)安全的密鑰分發(fā)，防止竊聽者確定發(fā)送方的測量基D.簡化量子設(shè)備的制造要求3.下列哪種技術(shù)被認(rèn)為是克服光纖QKD傳輸距離限制的關(guān)鍵技術(shù)之一？A.增強(qiáng)型BB84協(xié)議B.量子存儲器C.單光子源的高效化D.自由空間傳輸4.E91量子密鑰分發(fā)協(xié)議利用了量子糾纏的特性來實現(xiàn)安全性。它不依賴于傳統(tǒng)BB84協(xié)議中的隨機(jī)基選擇和比對，而是通過測量糾纏態(tài)的哪個物理量來探測竊聽？A.量子態(tài)的偏振方向B.量子態(tài)的路徑信息C.糾纏粒子的能量差D.量子比特的相位5.在量子密鑰分發(fā)過程中，即使竊聽者能夠完美復(fù)制傳輸?shù)墓庾?，他仍然無法獲取有效密鑰信息，這是因為：A.BB84協(xié)議使用了兩種不同的編碼方式B.量子不可克隆定理使得竊聽者無法在不破壞量子態(tài)的情況下復(fù)制信息C.系統(tǒng)中存在隨機(jī)測量的干擾D.密鑰生成過程中加入了額外的隨機(jī)噪聲6.量子密鑰分發(fā)的安全性通常分為完美安全性和計算安全性。目前廣泛研究和應(yīng)用的QKD系統(tǒng)主要滿足哪種安全性標(biāo)準(zhǔn)？A.完美安全性B.理論上的計算安全性C.實際可行的計算安全性D.條件安全性7.側(cè)信道攻擊是針對量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的威脅之一，其中“測量設(shè)備攻擊”指的是竊聽者試圖測量什么？A.量子信道中的光子飛行時間B.發(fā)送方和接收方使用的隨機(jī)數(shù)序列C.用于測量的量子態(tài)或測量結(jié)果D.密鑰存儲設(shè)備中的電子元件狀態(tài)8.量子中繼器技術(shù)旨在解決量子信息（如糾纏光子對）在長距離光纖中傳輸時衰減和退相干的問題。實現(xiàn)量子中繼器所面臨的核心技術(shù)挑戰(zhàn)之一是：A.如何高效產(chǎn)生和維持糾纏態(tài)B.如何在傳輸過程中避免引入過多的噪聲C.如何將存儲的量子信息精確地轉(zhuǎn)發(fā)到下一個節(jié)點(diǎn)D.如何設(shè)計安全的量子密碼協(xié)議9.與自由空間QKD相比，光纖QKD的主要優(yōu)勢在于：A.傳輸距離更遠(yuǎn)，抗大氣干擾能力強(qiáng)B.設(shè)備成本更低，安裝更方便C.傳輸速率更高，帶寬更大D.對環(huán)境要求更低，更易于集成10.量子保密傳輸技術(shù)的核心價值在于它能夠提供理論上無條件安全的密鑰分發(fā)方式，這在信息安全領(lǐng)域具有重大的潛在意義，尤其是在面對哪種威脅時更為突出？A.計算能力持續(xù)提升的經(jīng)典計算機(jī)B.對特定密碼算法的數(shù)學(xué)漏洞發(fā)現(xiàn)C.擁有超能力的新型量子計算機(jī)（通用量子計算機(jī)）D.網(wǎng)絡(luò)釣魚和社會工程學(xué)攻擊二、簡答題（每題5分，共25分）1.簡述量子密鑰分發(fā)（QKD）的基本原理。為什么說QKD能夠提供安全性保障？2.請解釋什么是量子糾纏，并說明量子糾纏在E91QKD協(xié)議中是如何用于實現(xiàn)安全性的。3.在BB84協(xié)議中，簡述發(fā)送方、接收方以及可能的竊聽者在密鑰生成階段各自的主要操作步驟。4.量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)在實際應(yīng)用中可能面臨哪些主要的物理挑戰(zhàn)或限制？5.簡單說明什么是“量子存儲器”，并解釋它在某些QKD系統(tǒng)中可能起到的作用。三、計算題（每題10分，共20分）1.假設(shè)一個BB84QKD系統(tǒng)在單次傳輸中成功傳輸了1000個光子，其中發(fā)送方使用了基|0?和|1?各500個，接收方隨機(jī)選擇了基|0?和|1?各250個，選擇了基|+?和|-?各250個。接收方在測量后，發(fā)現(xiàn)測量結(jié)果為基|+?和|-?時，分別得到了100個0和100個1。請根據(jù)這些數(shù)據(jù)，簡述接收方如何進(jìn)行基比對和密鑰篩選的過程，并估算一下初步生成的密鑰中可能存在的錯誤率（假設(shè)沒有竊聽）。2.設(shè)想一個簡單的量子信道，存在一定的光子損失率p=0.01（即每個光子有1%的概率在傳輸中丟失），且信道噪聲可以忽略不計。為了確保接收方能正確探測到每個光子，假設(shè)發(fā)送方使用的是單光子源。請簡述接收方可能采用的一種基本方法來探測丟失的光子，并分析這種方法存在的局限性。四、論述題（每題10分，共30分）1.深入比較BB84協(xié)議和E91協(xié)議在安全性原理、所需設(shè)備、系統(tǒng)復(fù)雜度以及對信道條件的要求等方面的主要異同點(diǎn)。2.量子保密傳輸（QKD）雖然理論上安全，但在實際部署中仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。請從技術(shù)、成本、應(yīng)用環(huán)境等多個角度，分析當(dāng)前QKD技術(shù)大規(guī)模商用的主要障礙，并提出一些可能的緩解方案或研究方向。3.闡述量子保密傳輸技術(shù)的發(fā)展對未來信息安全和量子信息網(wǎng)絡(luò)可能產(chǎn)生的影響。你認(rèn)為QKD將在哪些關(guān)鍵領(lǐng)域發(fā)揮重要作用？---試卷答案一、選擇題1.C2.C3.B4.B5.B6.C7.C8.C9.A10.C二、簡答題1.量子密鑰分發(fā)（QKD）利用量子力學(xué)的基本原理（如疊加、不可克隆定理、測量塌縮）在通信雙方之間安全地生成共享的隨機(jī)密鑰。其基本原理是：若存在竊聽者試圖測量量子信道中的量子態(tài)，則根據(jù)量子不可克隆定理和測量塌縮效應(yīng)，必然不可避免地會改變量子態(tài)的信息，從而被合法的通信雙方察覺。合法雙方通過比較部分已共享的密鑰信息（通過經(jīng)典信道傳輸）或進(jìn)行特定的安全性測試（如BB84的基比對），可以檢測到是否存在竊聽，從而確保分發(fā)的密鑰是安全的。因此，QKD能夠提供理論上（或計算上）無條件的安全保障。2.量子糾纏是指兩個或多個粒子之間存在的一種特殊關(guān)聯(lián)，即使它們相隔遙遠(yuǎn)，測量其中一個粒子的某個物理量會瞬間影響到另一個粒子的相應(yīng)物理量。E91協(xié)議利用了糾纏光子對（如處于貝爾態(tài)的偏振光子對）。發(fā)送方隨機(jī)選擇測量偏振基（H/V或45°/135°），并將測量結(jié)果傳給接收方。如果存在竊聽者，他必須測量光子的偏振態(tài)以獲取信息，這會不可避免地破壞原始糾纏。接收方通過比較自己的測量結(jié)果與發(fā)送方的測量結(jié)果，可以統(tǒng)計糾纏粒子的測量結(jié)果（如基于CHSH不等式關(guān)聯(lián)的統(tǒng)計量），如果統(tǒng)計結(jié)果顯著偏離理論值，則表明存在竊聽。3.發(fā)送方：隨機(jī)選擇編碼基（如BB84中的|0?/|1?或|+?/|-?），根據(jù)所選基和要發(fā)送的比特（0或1）制備相應(yīng)的量子態(tài)（如|0?或|1?，或|+?或|-?），并將量子態(tài)發(fā)送給接收方。同時，發(fā)送方生成一個隨機(jī)的基選擇序列，并將該序列通過經(jīng)典信道發(fā)送給接收方。接收方：按照發(fā)送方通過經(jīng)典信道發(fā)送的隨機(jī)基選擇序列，使用相應(yīng)的測量基（|0?/|1?或|+?/|-?）對接收到的量子態(tài)進(jìn)行測量，并記錄測量結(jié)果。竊聽者（若存在）：試圖測量傳輸?shù)牧孔討B(tài)以獲取信息，但由于量子力學(xué)原理的限制，其測量行為本身可能已破壞量子態(tài)或引入可被檢測到的擾動。4.量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)面臨的主要物理挑戰(zhàn)或限制包括：①光纖損耗和色散，會降低光子傳輸速率和距離，增加誤碼率；②環(huán)境噪聲和干擾，如溫度波動、振動等會影響量子態(tài)的穩(wěn)定性；③單光子源的質(zhì)量限制，如純度、亮度、穩(wěn)定性等影響密鑰生成效率和安全性；④高效單光子探測器的要求，探測效率和噪聲特性直接影響系統(tǒng)性能；⑤量子存儲器的技術(shù)成熟度和容量限制，影響中繼器和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用；⑥自由空間傳輸?shù)囊资墉h(huán)境（如天氣）影響和目標(biāo)瞄準(zhǔn)難度。5.量子存儲器是一種能夠暫時存儲量子信息（如單個光子、糾纏態(tài)）的設(shè)備。在QKD系統(tǒng)中，量子存儲器可以起到關(guān)鍵作用，例如：①實現(xiàn)量子中繼器，存儲接收到的糾纏光子或密鑰比特，等待后續(xù)處理，以延長QKD的傳輸距離；②用于時間差分QKD協(xié)議，存儲部分測量結(jié)果，以抵消信道中的損耗和噪聲，提高安全性或密鑰率；③在某些增強(qiáng)型協(xié)議中，用于存儲和重用量子態(tài)，優(yōu)化密鑰生成過程。三、計算題1.接收方在基|+?和|-?上的測量結(jié)果（100個0和100個1）與發(fā)送方在這些基上制備的量子態(tài)（應(yīng)為|+?對應(yīng)0，|-?對應(yīng)1，或反之，取決于隨機(jī)基選擇）不匹配。接收方首先需要通過與發(fā)送方通過經(jīng)典信道傳輸?shù)幕x擇序列進(jìn)行比對，確定哪些測量結(jié)果對應(yīng)的是發(fā)送方使用|0?/|1?基測量的部分，哪些對應(yīng)的是使用|+?/|-?基測量的部分。例如，假設(shè)接收方在基|+?上測得100個0，在基|-?上測得100個1。如果發(fā)送方在這兩個基上分別使用了|0?和|1?進(jìn)行編碼，那么接收方的測量結(jié)果應(yīng)全部為0。接收方將接收方聲稱使用的基和比特序列（假設(shè)為100個0）與自己的測量結(jié)果（100個0和100個1）進(jìn)行逐比特比對，得到初步密鑰。在此例中，初步密鑰長度為接收方使用|0?/|1?基測量的光子數(shù)，即500比特。比對結(jié)果顯示，在500比特中，有100比特（對應(yīng)基|-?上的測量結(jié)果）是錯誤的（應(yīng)為1而非0，或反之，取決于具體編碼約定）。因此，初步密鑰的錯誤率為錯誤比特數(shù)除以總比特數(shù)，即100/500=0.2或20%。這個錯誤率（通常稱為QBER,QuantumBitErrorRate）可以用來估計密鑰的質(zhì)量，并用于安全性分析或請求重傳。2.面對光子損失率p=0.01的信道，接收方無法直接測量丟失的光子。一種基本方法是采用“時間標(biāo)簽”或“標(biāo)記”技術(shù)。發(fā)送方在發(fā)送每個光子時，都附加一個時間標(biāo)簽（或序列號）通過經(jīng)典信道告知接收方。接收方記錄每個測量結(jié)果及其對應(yīng)的時間標(biāo)簽。當(dāng)接收方測量到某個時間標(biāo)簽的光子丟失時（例如，在該時間標(biāo)簽沒有接收到任何光子，或測量設(shè)備沒有輸出），它可以知道這個特定的光子（攜帶了該時間標(biāo)簽的比特信息）在信道中丟失了。接收方可以選擇忽略這個丟失的光子，或者使用預(yù)設(shè)的規(guī)則（如丟棄丟失比特）來處理。局限性在于：①無法從丟失中恢復(fù)信息，導(dǎo)致密鑰率降低（每傳輸100個比特，平均有1個丟失）；②丟失事件本身可能被惡意竊聽者利用來推斷信息或引入干擾；③需要額外的經(jīng)典通信來傳輸時間標(biāo)簽，增加了開銷；④對于連續(xù)編碼方案，丟失的比特可能導(dǎo)致相鄰比特的錯誤。四、論述題1.BB84和E91協(xié)議的主要異同點(diǎn)比較：*安全性原理：BB84基于單光子傳輸和兩種不同測量基的選擇與比對，利用量子力學(xué)基本原理（不可克隆定理、測量塌縮）提供安全性。E91則基于貝爾不等式檢驗，利用一對處于糾纏態(tài)的單光子（偏振態(tài)）和測量結(jié)果的統(tǒng)計關(guān)聯(lián)來探測竊聽，安全性基于量子力學(xué)對貝爾不等式violations的預(yù)言。*所需設(shè)備：BB84需要單光子源、偏振控制器、基選擇隨機(jī)器、單光子探測器。E91同樣需要單光子源、偏振控制器（或測量設(shè)置選擇器）、基選擇隨機(jī)器、單光子探測器，但更強(qiáng)調(diào)對糾纏態(tài)和貝爾測試統(tǒng)計量的精確測量與控制。*系統(tǒng)復(fù)雜度：BB84協(xié)議概念相對直接，但實現(xiàn)中單光子源和探測器的質(zhì)量要求高，且需要處理兩種基的轉(zhuǎn)換。E91實現(xiàn)需要精確控制糾纏態(tài)和測量基的選擇，進(jìn)行復(fù)雜的統(tǒng)計分析和貝爾測試，系統(tǒng)實現(xiàn)可能更復(fù)雜。*對信道條件要求：BB84對光纖信道損耗和噪聲有較高要求（尤其在長距離下）。E91理論上抗干擾能力更強(qiáng)（貝爾測試可以探測到更微弱的竊聽干擾），但對糾纏光子對的質(zhì)量、傳輸信道的偏振保真度等有更高要求。BB84的安全性隨距離增加而下降，E91有望克服此限制。*主要區(qū)別總結(jié)：BB84是第一代QKD代表，基于編碼方式和基比對。E91是第二代QKD代表，基于貝爾不等式檢驗，安全性概念不同，對竊聽探測能力可能更強(qiáng)。2.當(dāng)前QKD技術(shù)大規(guī)模商用的主要障礙及緩解方案：*主要障礙：*技術(shù)成熟度與穩(wěn)定性：單光子源、單光子探測器、量子存儲器等核心器件性能（如效率、噪聲、穩(wěn)定性）仍有待提高，系統(tǒng)整體穩(wěn)定性、可靠性不足。*成本高昂：高性能量子器件和系統(tǒng)集成成本遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)加密設(shè)備，經(jīng)濟(jì)性不足。*傳輸距離限制：光纖損耗導(dǎo)致光子信號衰減，單光子探測器效率限制，使得直接傳輸距離有限（目前百公里量級）。自由空間傳輸受天氣、大氣干擾影響大，且對準(zhǔn)困難。*與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)集成困難：QKD系統(tǒng)需要新的基礎(chǔ)設(shè)施，與傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)（如光纖網(wǎng)、公網(wǎng)）的融合與兼容性有待解決。*標(biāo)準(zhǔn)化缺乏：QKD系統(tǒng)種類繁多，缺乏統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和接口規(guī)范，阻礙了互聯(lián)互通和產(chǎn)業(yè)化。*應(yīng)用場景不明確：除特定高安全需求領(lǐng)域外，QKD的普適性應(yīng)用場景尚需拓展和驗證。*緩解方案或研究方向：*技術(shù)研發(fā)：持續(xù)投入研發(fā)，提高核心器件性能和降低成本（如發(fā)展片上量子光源/探測器、集成量子存儲器）；探索新型QKD協(xié)議和系統(tǒng)架構(gòu)（如時間差分QKD、多路QKD、自由空間QKD改進(jìn)）。*量子中繼器技術(shù)：研發(fā)高性能量子中繼器，解決長距離光纖傳輸?shù)钠款i問題。*網(wǎng)絡(luò)融合：研究QKD與現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)的融合方案（如WDM網(wǎng)絡(luò)集成、混合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)）。*制定標(biāo)準(zhǔn)：推動QKD技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)化和互