2025年大學《量子信息科學》專業(yè)題庫——量子信息傳感應用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、量子傳感技術(shù)利用量子系統(tǒng)的哪些基本特性來實現(xiàn)超越經(jīng)典極限的測量靈敏度？請至少列舉并簡要說明兩種。二、簡述NV色心傳感器的原理，并說明其用于磁場測量的主要優(yōu)勢。三、原子干涉儀實現(xiàn)高精度測量的物理基礎(chǔ)是什么？請簡述其基本原理。四、與經(jīng)典成像技術(shù)相比，量子成像（如量子雷達）在抗干擾性能方面具有哪些潛在優(yōu)勢？簡要說明其原理。五、量子傳感器的靈敏度通常用哪些關(guān)鍵指標來衡量？請解釋信噪比（SNR）作為性能指標的含義，并說明其與探測極限的關(guān)系。六、列舉量子傳感技術(shù)在基礎(chǔ)科學研究領(lǐng)域至少三個具體的應用實例，并簡述其重要性。七、當前量子傳感技術(shù)的發(fā)展面臨哪些主要的挑戰(zhàn)？請選擇其中一至兩個挑戰(zhàn)，詳細說明其具體內(nèi)容及其對技術(shù)實用化的影響。八、設(shè)想一個利用糾纏光子對進行通信的場景（例如量子密鑰分發(fā)），簡要描述其基本原理，并說明其與傳統(tǒng)通信方式在安全性方面的潛在差異。九、請比較NV色心傳感器和原子干涉儀在實現(xiàn)高精度重力測量方面的優(yōu)缺點?？紤]至少兩個方面的比較，如原理復雜度、尺寸、環(huán)境適應性等。十、簡述量子傳感與人工智能技術(shù)相結(jié)合可能帶來的機遇，并舉例說明一種可能的結(jié)合方向及其潛在應用價值。試卷答案一、答案：疊加、糾纏、退相干。解析：量子傳感利用量子疊加態(tài)的脆弱性（易受環(huán)境干擾導致退相干），通過精確測量退相干前后的量子態(tài)變化來探測外部微擾；利用量子糾纏的非定域性，可以實現(xiàn)分布式傳感或提高測量對比度；利用量子比特的精確控制，可以實現(xiàn)對微弱信號的極致敏感度。二、答案：NV色心具有自旋軌道耦合和晶格振動耦合，使其電子自旋態(tài)對周圍環(huán)境（如磁場、應力）極其敏感。通過控制NV色心的電子自旋態(tài)，利用其光學讀出機制（通過熒光強度變化），可以精密測量磁場或相關(guān)物理量。解析：解析重點在于說明NV色心高敏感度的物理根源（自旋軌道耦合、晶格振動耦合）以及測量的實現(xiàn)方式（自旋態(tài)調(diào)控與光學讀出）。三、答案：原子干涉儀基于原子德布羅意波相干疊加原理。通過將原子束分成兩束或多束，使其經(jīng)歷不同的路徑或相互作用，利用干涉效應（如雙縫干涉）分析原子通過的概率分布，可以實現(xiàn)對引力梯度、旋轉(zhuǎn)角速度等物理量的精密測量。解析：解析核心在于闡述原子干涉測量的基礎(chǔ)是德布羅意波的相干疊加，并通過路徑分裂和干涉效應實現(xiàn)測量。四、答案：量子成像利用糾纏光子對（如EPR對）或單光子源。對于糾纏成像，即使光子在傳播中受到環(huán)境干擾（如部分吸收、相移），其糾纏特性仍能保持。在接收端，通過測量光子對的關(guān)聯(lián)性，可以有效抑制或消除經(jīng)典噪聲，從而提高圖像的信噪比，尤其在弱光或強干擾環(huán)境下表現(xiàn)突出。解析：解析關(guān)鍵在于解釋量子糾纏如何提供一種“內(nèi)在保護”，使得關(guān)聯(lián)測量結(jié)果能抵消或減弱非關(guān)聯(lián)的干擾信號，從而提升成像質(zhì)量。五、答案：關(guān)鍵指標包括靈敏度（通常用探測極限衡量，如量子極限、Shot-noiselimit）、精度、分辨率、穩(wěn)定性。解析：解釋信噪比（SNR）是信號強度與噪聲強度的比值，是衡量測量質(zhì)量的核心指標。高SNR意味著信號更清晰，更容易從噪聲中區(qū)分出來，因此靈敏度（即達到探測極限的能力）與SNR密切相關(guān)，更高的SNR通常對應更高的靈敏度。六、答案：1.檢驗基本物理常數(shù)（如精細結(jié)構(gòu)常數(shù)、光速）的穩(wěn)定性；2.測量引力波；3.探索時空的量子性質(zhì)（如檢驗牛頓引力定律在極端條件下的有效性）。解析：列舉量子傳感在基礎(chǔ)科研中的典型應用，并強調(diào)其對推動物理學發(fā)展的重要性，如檢驗現(xiàn)有理論、尋找新現(xiàn)象等。七、答案：挑戰(zhàn)1：退相干問題，量子態(tài)極其脆弱，易受環(huán)境噪聲影響而丟失量子信息，限制了傳感器的穩(wěn)定性和壽命；挑戰(zhàn)2：小型化與集成化，將復雜的量子傳感器集成到小型化、實用化的設(shè)備中面臨技術(shù)和成本挑戰(zhàn)。解析：解析需具體說明挑戰(zhàn)內(nèi)容，并闡述其對量子傳感從實驗室走向?qū)嶋H應用的阻礙。八、答案：利用糾纏光子對進行量子密鑰分發(fā)（QKD），Alice和Bob共享一對糾纏光子，Alice對光子進行隨機測量（選擇偏振基），Bob也進行測量。后期通過公開信道比對部分測量基，僅對使用相同基測量的結(jié)果進行統(tǒng)計關(guān)聯(lián)，即可生成共享的密鑰。其安全性源于測量結(jié)果中無法傳遞任何經(jīng)典信息，且任何竊聽行為都會破壞糾纏態(tài)，被立即發(fā)現(xiàn)。解析：解析需簡述QKD的基本流程（共享糾纏、測量、比對）、核心原理（測量無法獲取信息、竊聽破壞糾纏），并點明其相對于經(jīng)典加密的安全優(yōu)勢。九、答案：NV色心優(yōu)點：讀出機制成熟、易于集成、可在室溫下工作；缺點：尺寸較大（微米級），易受周圍環(huán)境噪聲影響，標度化（構(gòu)建大型陣列）挑戰(zhàn)較大。原子干涉儀優(yōu)點：理論上可達到更高的精度和靈敏度，尺寸可更小，環(huán)境適應性可能更好（取決于具體實現(xiàn)）；缺點：原理復雜，對環(huán)境控制要求苛刻，系統(tǒng)搭建和讀出通常更復雜。解析：解析需從多個維度（原理、尺寸、工作條件、集成、性能、成本等）對比兩種傳感器的優(yōu)缺點，體現(xiàn)對兩種技術(shù)特點的理解。十、答案：結(jié)合方向：利用量子傳感的超高靈敏度監(jiān)測神經(jīng)活動。應用價值：通過量子傳感器（如高靈敏度磁傳感器）無創(chuàng)或微創(chuàng)地探測大腦中的神經(jīng)電流或神經(jīng)遞質(zhì)相關(guān)的微弱信號