2025年大學(xué)《量子信息科學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——量子信息科學(xué)在天文學(xué)中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共10分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的代表字母填入括號(hào)內(nèi)）1.下列哪一項(xiàng)不是量子傳感技術(shù)能夠提升天文觀測(cè)精度的主要原因？A.量子態(tài)的疊加特性B.量子糾纏帶來(lái)的相干增強(qiáng)C.量子噪聲抑制能力D.傳感器材料的傳統(tǒng)物理極限2.在處理大規(guī)模天體物理模擬（如星系演化）時(shí)，量子計(jì)算的主要潛在優(yōu)勢(shì)在于？A.能夠完全避免所有計(jì)算誤差B.比經(jīng)典計(jì)算機(jī)成本更低廉C.能夠利用量子并行性高效處理復(fù)雜關(guān)聯(lián)問(wèn)題D.更容易獲得巨大的算力資源3.星間量子通信中，量子隱形傳態(tài)主要解決了什么問(wèn)題？A.如何在深空環(huán)境中生成隨機(jī)數(shù)B.如何實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)程的經(jīng)典信息加密傳輸C.如何將一個(gè)粒子的未知量子態(tài)精確轉(zhuǎn)移到另一個(gè)遙遠(yuǎn)的粒子上D.如何繞過(guò)星際空間的電磁干擾4.下列應(yīng)用中，哪一項(xiàng)最直接地體現(xiàn)了利用量子效應(yīng)克服大氣湍流對(duì)天文成像影響的前沿探索？A.使用量子雷達(dá)探測(cè)行星大氣B.利用糾纏光子對(duì)進(jìn)行自適應(yīng)光學(xué)補(bǔ)償C.采用量子加密保護(hù)天文數(shù)據(jù)傳輸D.應(yīng)用原子干涉儀測(cè)量引力場(chǎng)5.利用高度精確的原子噴泉鐘進(jìn)行基本物理常量測(cè)量，其對(duì)于天文學(xué)的意義主要體現(xiàn)在？A.直接測(cè)量宇宙膨脹速度B.為尋找系外行星提供信號(hào)源C.檢驗(yàn)廣義相對(duì)論在極端引力環(huán)境下的準(zhǔn)確性D.精確校準(zhǔn)天文望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)時(shí)間二、填空題（每空1分，共15分。請(qǐng)將答案填寫在橫線上）6.量子傳感的精度提升往往與量子系統(tǒng)的______特性密切相關(guān)，例如NV色心缺陷中心的電子自旋態(tài)具有優(yōu)異的______時(shí)間。7.解決天體物理模擬中“維數(shù)災(zāi)難”問(wèn)題，量子退火算法被寄予厚望，它特別適用于求解這類問(wèn)題中的______問(wèn)題。8.實(shí)現(xiàn)星間量子通信的關(guān)鍵技術(shù)之一是構(gòu)建可靠的______鏈路，這需要克服深空環(huán)境的______和______挑戰(zhàn)。9.量子成像技術(shù)相較于經(jīng)典成像，在探測(cè)弱光信號(hào)或?qū)崿F(xiàn)超分辨率時(shí)，可以利用量子態(tài)的______或______性質(zhì)。10.通過(guò)比較不同天體上基本物理常量的測(cè)量結(jié)果，可以間接探索宇宙是否存在______的可能性，這對(duì)理解暗能量和暗物質(zhì)至關(guān)重要。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分。請(qǐng)簡(jiǎn)要回答下列問(wèn)題）11.簡(jiǎn)述量子糾纏在提高天文望遠(yuǎn)鏡分辨率方面的潛在原理。12.簡(jiǎn)述利用量子密鑰分發(fā)（QKD）進(jìn)行天文數(shù)據(jù)傳輸安全性的優(yōu)勢(shì)。13.簡(jiǎn)述天體物理模擬計(jì)算中面臨的主要挑戰(zhàn)，并說(shuō)明量子計(jì)算可能如何應(yīng)對(duì)其中一項(xiàng)挑戰(zhàn)。14.簡(jiǎn)述“量子引力望遠(yuǎn)鏡”這一概念的基本設(shè)想及其科學(xué)意義。四、計(jì)算題（共10分。請(qǐng)寫出必要的公式和計(jì)算步驟）15.假設(shè)一個(gè)用于天體測(cè)量的量子干涉儀，其設(shè)計(jì)基于兩個(gè)糾纏的原子態(tài)。干涉儀的信號(hào)輸出與兩原子態(tài)的相位差有關(guān)。若已知環(huán)境噪聲使得原子態(tài)相干時(shí)間Tc=1毫秒，探測(cè)系統(tǒng)帶寬為100MHz。請(qǐng)估算該干涉儀因退相干效應(yīng)而可能達(dá)到的最優(yōu)信噪比提升量（與理想無(wú)退相干情況相比）。假設(shè)信號(hào)功率為Ps，噪聲功率為Pn，理想情況下信噪比為SNR_ideal=Ps/Pn，退相干導(dǎo)致的有效信號(hào)帶寬為1/Tc。五、論述題（共25分。請(qǐng)結(jié)合所學(xué)知識(shí)，全面、深入地回答下列問(wèn)題）16.論述將量子信息科學(xué)應(yīng)用于天文學(xué)研究所面臨的重大挑戰(zhàn)，并展望其在未來(lái)十年可能取得突破性進(jìn)展的關(guān)鍵方向。試卷答案一、選擇題1.D2.C3.C4.B5.C二、填空題6.穩(wěn)定；相干7.優(yōu)化8.量子；傳輸延遲；噪聲干擾9.相關(guān)；非局域10.變化三、簡(jiǎn)答題11.解析思路：利用量子糾纏的特性，例如EPR對(duì)，可以實(shí)現(xiàn)超越經(jīng)典極限的測(cè)量。例如，在遠(yuǎn)程關(guān)聯(lián)的兩個(gè)粒子中，對(duì)一個(gè)粒子的測(cè)量可以瞬間影響到另一個(gè)粒子的狀態(tài)。在天文成像中，可以利用糾纏光子對(duì)，使得探測(cè)器接收到的光子與發(fā)射端探測(cè)到的光子存在關(guān)聯(lián)，通過(guò)巧妙的設(shè)計(jì)（如聯(lián)合測(cè)量或利用干涉效應(yīng)），能夠抑制環(huán)境光或噪聲的影響，或者實(shí)現(xiàn)經(jīng)典方法無(wú)法達(dá)到的分辨率，因?yàn)榧m纏態(tài)可以編碼超出單個(gè)光子攜帶的信息量。12.解析思路：QKD利用量子力學(xué)原理（如測(cè)量的塌縮效應(yīng)、不可克隆定理）來(lái)保證密鑰分發(fā)的安全性。任何竊聽(tīng)者的測(cè)量行為都會(huì)不可避免地干擾量子態(tài)，從而被合法用戶檢測(cè)到。在深空天文數(shù)據(jù)傳輸場(chǎng)景下，利用QKD可以為來(lái)自遙遠(yuǎn)探測(cè)器或深空任務(wù)傳輸?shù)膶氋F科學(xué)數(shù)據(jù)提供一個(gè)理論上的無(wú)條件安全的密鑰來(lái)源，用于后續(xù)的經(jīng)典加密通信，有效抵御潛在的外部竊聽(tīng)或攻擊，保障數(shù)據(jù)的機(jī)密性。13.解析思路：天體物理模擬面臨的主要挑戰(zhàn)包括：①模型復(fù)雜度高，涉及眾多物理過(guò)程和巨大時(shí)空尺度；②計(jì)算量巨大，特別是涉及流體動(dòng)力學(xué)、引力相互作用、輻射傳輸?shù)榷辔锢韴?chǎng)耦合的模擬；③維數(shù)災(zāi)難，隨著空間分辨率提高，計(jì)算量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。量子計(jì)算可能通過(guò)其獨(dú)特的并行處理能力（對(duì)于特定類型的問(wèn)題，如哈密頓量求解、分子動(dòng)力學(xué)）和優(yōu)化算法（如量子退火），在處理復(fù)雜關(guān)聯(lián)性、優(yōu)化問(wèn)題或模擬量子系統(tǒng)方面，相比經(jīng)典算法具有效率優(yōu)勢(shì)，從而應(yīng)對(duì)部分計(jì)算挑戰(zhàn)，例如加速特定階段或簡(jiǎn)化整個(gè)模擬過(guò)程。14.解析思路：“量子引力望遠(yuǎn)鏡”是一個(gè)前沿概念，設(shè)想利用量子效應(yīng)來(lái)探測(cè)或模擬引力波或早期宇宙的物理過(guò)程。其基本設(shè)想可能包括：利用高度糾纏的量子態(tài)作為探測(cè)器，通過(guò)測(cè)量量子態(tài)的相干變化來(lái)響應(yīng)引力波或宇宙背景輻射的引力效應(yīng)；或者利用量子計(jì)算機(jī)模擬黑洞合并、大爆炸奇點(diǎn)等涉及引力與量子力學(xué)耦合的極端天體物理過(guò)程，以獲得經(jīng)典方法無(wú)法企及的洞察。其科學(xué)意義在于，可能直接檢驗(yàn)量子引力理論、揭示宇宙早期演化奧秘、或者發(fā)現(xiàn)全新的天體物理現(xiàn)象。四、計(jì)算題15.解析思路：首先，理想情況下的信噪比SNR_ideal=Ps/Pn。退相干效應(yīng)限制了探測(cè)系統(tǒng)能夠有效利用的信號(hào)帶寬，有效帶寬約為1/Tc。根據(jù)信號(hào)帶寬與信噪比的關(guān)系（帶寬越寬，在信號(hào)功率一定時(shí)，噪聲功率會(huì)呈比例增加，信噪比降低），退相干導(dǎo)致信噪比下降因子為Δf=f_system/(1/Tc)，其中f_system是系統(tǒng)帶寬（100MHz）。因此，退相干引起的信噪比損失可以表示為SNR_loss=SNR_ideal*(1/Tc)/f_system。代入Tc=1ms=10^-3s,f_system=100MHz=10^8Hz，計(jì)算得到SNR_loss=10^-3/10^8=10^-11。即最優(yōu)信噪比提升量（相對(duì)于理想情況）約為-11個(gè)數(shù)量級(jí)，或者說(shuō)，退相干使得信噪比降低了10^11倍。五、論述題（此題需要結(jié)合所學(xué)知識(shí)和理解進(jìn)行深入闡述，以下為要點(diǎn)提示，非完整答案）解析思路：*挑戰(zhàn)分析：*基礎(chǔ)理論不成熟：量子引力理論本身仍在發(fā)展中，缺乏完整的、經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的理論框架。*技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度大：構(gòu)建用于天文觀測(cè)的精密量子傳感器、可靠的星間量子通信鏈路、以及強(qiáng)大的量子計(jì)算模擬平臺(tái)，面臨巨大的工程挑戰(zhàn)，如環(huán)境退相干、噪聲抑制、規(guī)?；c集成化等。*跨學(xué)科知識(shí)融合：需要深厚的量子物理、信息科學(xué)、天體物理、光學(xué)工程等多領(lǐng)域知識(shí)的交叉與融合，對(duì)研究人員的背景要求高。*成本高昂：量子技術(shù)的研究與開發(fā)投入巨大，而天文觀測(cè)設(shè)施本身也極其昂貴。*應(yīng)用場(chǎng)景匹配：需要清晰地定義量子信息科學(xué)能解決天文領(lǐng)域的哪些“硬骨頭”問(wèn)題，避免盲目應(yīng)用。*未來(lái)突破方向展望：*量子傳感精度提升：在重力波探測(cè)、天體測(cè)量、暗物質(zhì)探測(cè)等方面，開發(fā)更靈敏、更穩(wěn)定的量子傳感器。*量子計(jì)算在天文模擬中的應(yīng)用：利用量子算法加速?gòu)?fù)雜模擬（如星系形成、黑洞演化），或求解經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以處理的模型。*星