2025年大學(xué)《量子信息科學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——量子信息技術(shù)在資源綜合利用中的助力考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的首字母填在括號(hào)內(nèi)）1.量子信息技術(shù)在資源綜合利用中的核心優(yōu)勢(shì)之一在于其（）。A.能源消耗低B.能夠處理超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)能力的復(fù)雜優(yōu)化問(wèn)題C.設(shè)備體積小D.成本效益高2.利用量子比特的（）特性，可以制造出對(duì)特定物理量變化極其敏感的量子傳感器，用于精準(zhǔn)探測(cè)資源信號(hào)。A.疊加B.糾纏C.退相干D.物理不可克隆3.在資源勘探領(lǐng)域，量子雷達(dá)（QRadar）相較于傳統(tǒng)雷達(dá)的主要優(yōu)勢(shì)可能在于（）。A.更高的穿透深度B.更廣的探測(cè)范圍C.對(duì)特定物質(zhì)（如礦物）更強(qiáng)的識(shí)別能力D.更低的系統(tǒng)復(fù)雜度4.以下哪項(xiàng)技術(shù)最直接地利用了量子糾纏來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離信息傳遞或安全保障？（）A.量子計(jì)算B.量子傳感C.量子密鑰分發(fā)（QKD）D.量子算法設(shè)計(jì)5.解決資源配額優(yōu)化、物流路徑規(guī)劃等復(fù)雜組合優(yōu)化問(wèn)題時(shí)，量子信息科學(xué)中最具潛力的工具是（）。A.量子通信B.量子傳感C.量子計(jì)算D.量子加密6.量子退相干是指（）。A.量子比特丟失其量子態(tài)的能力B.量子比特?cái)?shù)量增加的過(guò)程C.量子比特之間產(chǎn)生糾纏的現(xiàn)象D.量子比特測(cè)量結(jié)果的隨機(jī)性7.在模擬復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)以探索新的資源轉(zhuǎn)化途徑方面，量子計(jì)算的主要優(yōu)勢(shì)在于（）。A.能大幅降低實(shí)驗(yàn)成本B.能保證計(jì)算結(jié)果的絕對(duì)精度C.能高效處理“高維參數(shù)空間”D.能自動(dòng)發(fā)現(xiàn)新材料8.以下哪種資源利用方式最有可能直接受益于量子傳感器的環(huán)境監(jiān)測(cè)能力？（）A.太陽(yáng)能發(fā)電B.風(fēng)能利用C.地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)D.廢水處理過(guò)程中的重金屬在線監(jiān)測(cè)9.“量子資源利用”這一概念強(qiáng)調(diào)的核心是（）。A.開(kāi)發(fā)基于量子效應(yīng)的資源B.利用量子技術(shù)提升傳統(tǒng)資源利用效率與環(huán)境友好性C.探索外星量子資源D.量子計(jì)算直接挖礦10.目前，量子信息技術(shù)在資源綜合利用領(lǐng)域面臨的主要挑戰(zhàn)之一是（）。A.缺乏實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景B.量子設(shè)備成本過(guò)高、穩(wěn)定性不足C.公眾認(rèn)知度不夠D.相關(guān)的法律法規(guī)不完善二、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分。請(qǐng)簡(jiǎn)明扼要地回答下列問(wèn)題）1.請(qǐng)簡(jiǎn)述量子疊加態(tài)在量子傳感中提高測(cè)量靈敏度的基本原理。2.簡(jiǎn)要說(shuō)明量子計(jì)算在解決資源優(yōu)化問(wèn)題（如物流調(diào)度）時(shí)，相比于傳統(tǒng)計(jì)算的主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在哪些方面。3.闡述量子密鑰分發(fā)（QKD）技術(shù)如何保障資源開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?.結(jié)合一個(gè)具體實(shí)例，說(shuō)明量子信息技術(shù)在推動(dòng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)（資源綜合利用的重要體現(xiàn)）方面可能發(fā)揮的作用。三、論述題（每題10分，共30分。請(qǐng)結(jié)合所學(xué)知識(shí)，圍繞下列主題進(jìn)行論述）1.論述將量子計(jì)算應(yīng)用于復(fù)雜資源（如化石能源）高效轉(zhuǎn)化與利用過(guò)程中的潛力和面臨的挑戰(zhàn)。2.針對(duì)當(dāng)前環(huán)境污染監(jiān)測(cè)中存在的難點(diǎn)（如實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、覆蓋面等），探討量子傳感技術(shù)可能帶來(lái)的突破性進(jìn)展及其實(shí)現(xiàn)路徑。3.綜合考慮技術(shù)成熟度、成本效益、環(huán)境友好性等因素，分析未來(lái)十年量子信息技術(shù)在資源綜合利用領(lǐng)域最具潛力的幾個(gè)發(fā)展方向。---試卷答案一、選擇題1.B2.A3.C4.C5.C6.A7.C8.D9.B10.B二、簡(jiǎn)答題1.量子疊加態(tài)允許量子比特同時(shí)處于多種狀態(tài)的線性組合。當(dāng)測(cè)量發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)會(huì)從疊加態(tài)坍縮到其中一個(gè)確定的狀態(tài)。利用量子傳感，可以將待測(cè)物理量與量子比特的量子態(tài)關(guān)聯(lián)起來(lái)。當(dāng)待測(cè)物理量存在微弱變化時(shí)，會(huì)誘導(dǎo)量子比特的疊加態(tài)發(fā)生相應(yīng)的phase變化或幅度變化。通過(guò)精確測(cè)量這個(gè)變化，即使物理量引起的效應(yīng)在經(jīng)典尺度上極其微小，也能夠被放大并檢測(cè)出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)超經(jīng)典傳感器的靈敏度。2.量子計(jì)算通過(guò)量子比特的疊加和糾纏特性，能夠并行處理海量可能性。對(duì)于資源優(yōu)化這類通常涉及大量變量和復(fù)雜約束條件的組合問(wèn)題，經(jīng)典計(jì)算機(jī)需要逐個(gè)枚舉并評(píng)估所有可能的解，計(jì)算量隨問(wèn)題規(guī)模呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。量子計(jì)算機(jī)（特別是理論上）可以同時(shí)探索許多潛在解空間，有望在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)找到接近最優(yōu)解，或者顯著加速求解過(guò)程，這是傳統(tǒng)計(jì)算難以比擬的。這種強(qiáng)大的優(yōu)化能力直接應(yīng)用于物流路徑、生產(chǎn)計(jì)劃、能源分配等資源優(yōu)化場(chǎng)景。3.量子密鑰分發(fā)（QKD）利用量子力學(xué)原理（如海森堡不確定性原理或量子不可克隆定理）來(lái)保證密鑰分發(fā)的安全性。任何第三方竊聽(tīng)者在試圖測(cè)量或復(fù)制通過(guò)量子信道（如單光子發(fā)射和探測(cè)）傳輸?shù)牧孔討B(tài)（如偏振態(tài)）時(shí)，都會(huì)不可避免地引起量子態(tài)的擾動(dòng)。發(fā)送方和合法接收方可以通過(guò)比較一小部分密鑰比特，采用隨機(jī)驗(yàn)證協(xié)議（如BB84協(xié)議）來(lái)檢測(cè)是否存在竊聽(tīng)行為。一旦發(fā)現(xiàn)異常，即可放棄當(dāng)前密鑰，確保了密鑰的絕對(duì)安全，從而保障了涉及資源數(shù)據(jù)（如產(chǎn)量、價(jià)格、位置等）傳輸過(guò)程中的信息安全。4.例如，在廢棄物分類與資源化利用中，量子傳感技術(shù)可能開(kāi)發(fā)出能快速、精準(zhǔn)識(shí)別不同種類塑料、金屬、復(fù)合材料成分的傳感器，甚至能檢測(cè)到微量的有害物質(zhì)。這種高靈敏度、高效率的檢測(cè)能力，結(jié)合智能算法，可以實(shí)現(xiàn)更精細(xì)化的廢棄物分選，提高資源回收率和利用價(jià)值，減少環(huán)境污染。這直接促進(jìn)了從源頭減量、重復(fù)利用、安全處置的循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式。三、論述題1.量子計(jì)算在資源高效轉(zhuǎn)化與利用方面的潛力在于其強(qiáng)大的模擬和優(yōu)化能力。對(duì)于復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程（如煉油、化工合成、電池材料研發(fā)），量子計(jì)算可以精確模擬分子間的相互作用，幫助科學(xué)家設(shè)計(jì)出更高效、更綠色的催化劑或反應(yīng)路徑，降低能耗，減少副產(chǎn)物。在能源利用方面，可以優(yōu)化電網(wǎng)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)可再生能源（如風(fēng)能、太陽(yáng)能）的高效并網(wǎng)和穩(wěn)定運(yùn)行；或者優(yōu)化核聚變反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)。面臨的挑戰(zhàn)主要包括：當(dāng)前的量子計(jì)算硬件（如超導(dǎo)、離子阱、光量子等）尚處于早期發(fā)展階段，算力規(guī)模、穩(wěn)定性和易用性（編程、容錯(cuò)）都面臨巨大挑戰(zhàn)，離實(shí)際解決復(fù)雜工業(yè)問(wèn)題尚有距離；同時(shí)，將復(fù)雜的資源轉(zhuǎn)化過(guò)程轉(zhuǎn)化為可被量子計(jì)算機(jī)處理的模型本身也極具難度，需要跨學(xué)科的知識(shí)融合。2.當(dāng)前環(huán)境污染監(jiān)測(cè)的難點(diǎn)在于許多污染物濃度極低，且環(huán)境介質(zhì)復(fù)雜多變，傳統(tǒng)傳感器的靈敏度和選擇性有限，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、連續(xù)、大范圍的高精度監(jiān)測(cè)。量子傳感技術(shù)憑借其獨(dú)特的原理，有望帶來(lái)突破。例如，利用量子點(diǎn)、量子線等納米材料作為傳感器的核心，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定污染物（如重金屬離子、揮發(fā)性有機(jī)物、氮氧化物）的極高靈敏度檢測(cè)，甚至在單分子水平上。利用原子干涉效應(yīng)或NV色心等量子傳感器，可以實(shí)現(xiàn)高精度的環(huán)境參數(shù)測(cè)量（如磁場(chǎng)、電場(chǎng)、溫度、壓力），用于監(jiān)測(cè)電磁污染、氣候變化等。利用量子雷達(dá)或量子成像技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)穿透云霧、植被等障礙物進(jìn)行污染源探測(cè)或環(huán)境狀況評(píng)估。這些技術(shù)的實(shí)現(xiàn)路徑通常涉及精密的量子態(tài)制備與操控、高靈敏度的量子測(cè)量讀出系統(tǒng)以及與實(shí)際環(huán)境的適配技術(shù)等。3.未來(lái)十年，量子信息技術(shù)在資源綜合利用領(lǐng)域最具潛力的方向可能包括：一是量子傳感在資源勘探、環(huán)境監(jiān)測(cè)、安全生產(chǎn)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)、更高效的探測(cè)和感知能力；二是面向資源優(yōu)化問(wèn)題的量子算法研發(fā)與硬件適配，特別是在物流、能源