2025年大學《量子信息科學》專業(yè)題庫——量子信息技術對人民幸福的促進考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡要說明量子比特（Qubit）與經典比特在信息表示能力上的根本區(qū)別，并解釋這種區(qū)別如何使得量子計算機在處理特定類型問題時具有潛在的優(yōu)勢。二、描述量子密鑰分發(fā)（QKD）的基本原理，并說明它如何利用量子力學特性來實現(xiàn)理論上無條件的安全通信，及其對保障信息安全、促進社會信任的意義。三、闡述量子計算技術在加速新藥研發(fā)過程中的作用機制。舉例說明量子計算如何幫助科學家模擬復雜分子（如蛋白質）的相互作用，以及這對提高藥物發(fā)現(xiàn)效率、滿足人類健康需求可能帶來的變革。四、分析量子傳感技術相較于傳統(tǒng)傳感技術在精度和靈敏度方面的優(yōu)勢來源（可結合特定應用場景，如導航定位或環(huán)境監(jiān)測），并說明這些優(yōu)勢如何轉化為具體的社會效益，提升人民生活的便利性和安全性。五、探討量子信息技術的發(fā)展可能帶來的倫理挑戰(zhàn)之一，例如個人隱私保護在量子網絡環(huán)境下的新問題。請?zhí)岢鲋辽賰煞N應對或緩解這種挑戰(zhàn)的思路或建議。六、結合當前社會發(fā)展狀況，論述量子信息技術在促進綠色發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展方面具有的潛力?？梢跃唧w說明其在氣候模擬、能源材料研發(fā)或環(huán)境監(jiān)測等領域的應用前景及其對建設更美好環(huán)境的貢獻。七、想象一下2045年的社會生活，請就量子信息技術如何深度融入人們的日常生活，并具體描述至少三個場景，說明其如何潛移默化地或不經意間地提升個體的幸福感和生活質量。試卷答案一、*答案：量子比特（Qubit）可以處于0和1的疊加態(tài)，即同時表示0和1的概率幅。經典比特只能處于0或1的確定狀態(tài)。這種疊加特性使得n個量子比特能同時表示2^n個不同的狀態(tài)，提供了遠超經典比特的信息承載能力。量子計算利用量子疊加和量子糾纏進行并行計算，對于特定問題（如大規(guī)模搜索、因子分解、模擬量子系統(tǒng)），這種并行處理能力能帶來經典計算機無法比擬的效率優(yōu)勢。*解析思路：本題考察對量子比特核心特性——疊加態(tài)的理解。首先需清晰定義量子比特與經典比特的狀態(tài)表示差異（疊加vs確定態(tài)）。其次，要解釋疊加態(tài)帶來的信息密度優(yōu)勢（2^n狀態(tài)）。最后，要說明這種優(yōu)勢如何通過量子計算的并行機制轉化為解決特定問題的計算效率優(yōu)勢。二、*答案：量子密鑰分發(fā)（QKD）利用了量子力學的基本原理，特別是海森堡不確定性原理和量子不可克隆定理。其基本原理是：任何對量子態(tài)（如單光子偏振態(tài)）的測量都會不可避免地改變該量子態(tài)。因此，竊聽者在嘗試竊取密鑰的同時，其測量行為必然會干擾量子信號的態(tài)，從而被合法的發(fā)送方和接收方通過比較部分已發(fā)送和已接收的密鑰段（通過公開信道）來檢測出來。這保證了密鑰分發(fā)的安全性是無條件（信息論安全）的。其對人民幸福的促進體現(xiàn)在保障了個人、金融、政府等各領域信息的安全傳輸，減少了信息泄露風險，提升了社會運行的安全感和信任度。*解析思路：本題要求闡述QKD原理及其意義。核心在于解釋其物理基礎（不確定性原理、不可克隆定理）如何保證安全性。需說明竊聽行為的可探測性機制。最后要落腳到社會效益，即提升信息安全和社會信任，從而促進人民福祉。三、*答案：量子計算通過其強大的并行模擬能力，可以高效地求解薛定諤方程等描述分子行為的復雜量子力學問題。傳統(tǒng)計算機在模擬包含大量相互作用原子或電子的系統(tǒng)時面臨“組合爆炸”難題，而量子計算機可以利用量子疊加態(tài)和量子糾纏來表示和演化這些復雜的量子系統(tǒng)，大大加快計算速度。例如，在藥物研發(fā)中，量子計算可以精確模擬藥物分子與靶點蛋白的結合過程、藥物在體內的代謝路徑等。這使得科學家能夠更快速地篩選出具有潛力的候選藥物分子，預測其藥效和副作用，從而縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本，最終更快地為患者提供有效的治療藥物，直接促進人類健康福祉。*解析思路：本題要求解釋量子計算在藥物研發(fā)中的作用。首先說明量子計算模擬分子相互作用的機制（求解薛定諤方程、利用量子并行性克服組合爆炸）。其次，要結合具體例子（如分子對接、代謝模擬）說明其優(yōu)勢。最后要明確指出其對藥物研發(fā)效率的提升以及對人類健康的最終貢獻。四、*答案：量子傳感技術的優(yōu)勢主要源于量子態(tài)對環(huán)境擾動極其敏感的特性。單個量子比特或量子糾纏態(tài)的微小變化就能被極其精確地探測到。例如，在導航定位中，基于原子干涉原理的量子陀螺儀和磁力計，其精度遠超傳統(tǒng)機械或電子傳感器，受溫度、振動等環(huán)境因素影響極小，可以實現(xiàn)更高精度的姿態(tài)控制和定位導航。在環(huán)境監(jiān)測中，高靈敏度的量子傳感器可以探測到痕量污染物（如特定氣體、微量放射性物質），實現(xiàn)對環(huán)境變化的精細感知和早期預警。這些高精度、高靈敏度的傳感能力轉化為社會效益，體現(xiàn)在提升自動駕駛安全性、精準農業(yè)效率、環(huán)境治理效果以及災害預警能力等方面，從而提升人民生活的便捷性和安全感。*解析思路：本題要求分析量子傳感的優(yōu)勢來源及其社會效益。核心在于解釋量子態(tài)對環(huán)境變化的敏感性（源于量子力學原理）。需結合具體應用場景（導航、環(huán)境監(jiān)測）說明其精度/靈敏度優(yōu)勢。最后要闡述這些優(yōu)勢如何轉化為具體的社會效益，提升生活質量。五、*答案：量子信息技術發(fā)展可能帶來的倫理挑戰(zhàn)之一是個人隱私保護。例如，量子計算可能破解目前廣泛使用的公鑰加密體系（如RSA、ECC），這些體系也用于保護互聯(lián)網通信、電子商務、數(shù)字簽名等。一旦被破解，大量個人數(shù)據(jù)、商業(yè)秘密乃至國家機密可能面臨泄露風險。應對或緩解思路包括：一是積極研發(fā)抗量子密碼（Post-QuantumCryptography,PQC）算法，并逐步替換現(xiàn)有加密體系；二是發(fā)展量子安全通信技術（如QKD），確保通信鏈路本身的安全；三是加強相關法律法規(guī)建設和國際合作，規(guī)范量子技術的發(fā)展和應用，明確數(shù)據(jù)權利和隱私保護邊界。*解析思路：本題要求探討QTI發(fā)展帶來的倫理挑戰(zhàn)并提供建議。首先需明確指出一個具體的挑戰(zhàn)（如量子計算對現(xiàn)有加密體系的威脅及其對隱私的影響）。然后，要提出至少兩種有針對性的解決方案或緩解策略，涵蓋技術（抗量子密碼、QKD）和法律/規(guī)范層面。六、*答案：量子信息技術在促進綠色發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展方面具有巨大潛力。首先，量子計算可以加速氣候模型的精確模擬，幫助我們更好地預測氣候變化趨勢，評估不同減排策略的效果，為制定科學的氣候政策提供依據(jù)。其次，量子計算能夠高效模擬新材料和新催化劑的物理化學性質，有助于研發(fā)出更高效、更環(huán)保的太陽能電池材料、儲能材料以及用于碳捕捉和利用（CCUS）的技術，推動能源結構轉型和減少環(huán)境污染。此外，高靈敏度的量子傳感技術可用于更精確地監(jiān)測溫室氣體排放、水體污染、森林砍伐等環(huán)境問題，為環(huán)境治理提供實時數(shù)據(jù)支持。這些應用前景表明，QTI有望在應對氣候變化、發(fā)展清潔能源、加強環(huán)境監(jiān)管等方面發(fā)揮關鍵作用，助力實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標，建設更美好的環(huán)境，從而提升全體人民的福祉。*解析思路：本題要求論述QTI在綠色可持續(xù)發(fā)展方面的潛力。需從多個角度切入，如氣候模擬、能源材料研發(fā)、環(huán)境監(jiān)測等。對每個角度，要說明QTI如何發(fā)揮作用（利用其計算或傳感優(yōu)勢）。最后要總結其對綠色發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展的貢獻，以及最終對環(huán)境質量和人民福祉的積極影響。七、*答案：想象2045年的社會，量子信息技術可能已深度融入日常生活。場景一：個人健康管理系統(tǒng)?；诹孔佑嬎愕姆治鲆?，能實時處理來自可穿戴設備、家用健康傳感器的海量生物數(shù)據(jù)，精準預測個體健康風險，提供個性化的健康建議和早期疾病預警，實現(xiàn)從“治療”到“預防”的醫(yī)學模式轉變，顯著提升健康水平和幸福感。場景二：無縫智能交通系統(tǒng)。量子優(yōu)化算法管理著整個城市的交通流，結合高精度量子傳感器提供的車路協(xié)同信息，實現(xiàn)自動駕駛車輛的路徑規(guī)劃和動態(tài)調度，極大減少交通擁堵和事故，使出行更加高效、安全、舒適。場景三：沉浸式個性化娛樂與教育。利用量子計算強大的渲染和模擬能力，結合量子加密保障的數(shù)據(jù)安全，人們可以體驗前所未有的逼真虛擬現(xiàn)實（VR）或增強現(xiàn)實（AR）體驗，獲得高度個性化且安全的教育