2025年大學(xué)《量子信息科學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——量子信息存儲(chǔ)技術(shù)對(duì)科學(xué)研究的影響考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______考生注意：以下問題請(qǐng)根據(jù)你的知識(shí)儲(chǔ)備，圍繞“量子信息存儲(chǔ)技術(shù)對(duì)科學(xué)研究的影響”這一主題進(jìn)行回答。1.請(qǐng)簡(jiǎn)述實(shí)現(xiàn)量子信息存儲(chǔ)需要克服的主要技術(shù)挑戰(zhàn)，并分別解釋這些挑戰(zhàn)為何會(huì)對(duì)科學(xué)研究，特別是量子計(jì)算的進(jìn)一步發(fā)展構(gòu)成關(guān)鍵瓶頸。2.量子存儲(chǔ)技術(shù)在量子通信領(lǐng)域扮演著至關(guān)重要的角色。請(qǐng)分別闡述量子存儲(chǔ)如何支持量子密鑰分發(fā)（QKD）的實(shí)現(xiàn)，以及在量子隱形傳態(tài)（QST）過程中所起的作用。并分析當(dāng)前技術(shù)條件下，這些應(yīng)用面臨的主要限制。3.超導(dǎo)量子比特和原子系統(tǒng)是兩種備受關(guān)注的量子存儲(chǔ)介質(zhì)。請(qǐng)比較這兩種技術(shù)在存儲(chǔ)時(shí)間、操控靈活性、與量子計(jì)算/通信接口等方面各自的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)，并討論它們?cè)谕苿?dòng)相關(guān)科學(xué)研究方向上的不同潛力。4.量子模擬是研究復(fù)雜量子系統(tǒng)的重要工具。請(qǐng)論述量子存儲(chǔ)技術(shù)如何能夠“賦能”量子模擬器，使其能夠處理更復(fù)雜的模型或?qū)崿F(xiàn)當(dāng)前無法達(dá)到的模擬目標(biāo)?？梢越Y(jié)合具體的科學(xué)研究問題進(jìn)行說明。5.基礎(chǔ)物理研究，如尋找第五種力或檢驗(yàn)基本對(duì)稱性破缺等，對(duì)探測(cè)精度提出了極高的要求。請(qǐng)?zhí)接懥孔哟鎯?chǔ)技術(shù)（或基于量子存儲(chǔ)的量子傳感器）如何在提升基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)的探測(cè)能力或開辟新的研究方向方面發(fā)揮作用。6.隨著量子存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，我們可能預(yù)見哪些新的科學(xué)研究領(lǐng)域或方向?qū)⒁虼双@得新的機(jī)遇？請(qǐng)選擇一至兩個(gè)你感興趣的領(lǐng)域，詳細(xì)闡述量子存儲(chǔ)技術(shù)的潛在影響以及可能帶來的突破性進(jìn)展。試卷答案1.解析：量子信息存儲(chǔ)面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)包括：有限的相干時(shí)間（T1,T2弛豫和退相干），這限制了信息的存儲(chǔ)時(shí)長(zhǎng)和操作的窗口期，直接影響科學(xué)實(shí)驗(yàn)的連續(xù)性和復(fù)雜性；低存儲(chǔ)效率和高噪聲水平，導(dǎo)致存儲(chǔ)和讀出信息的保真度下降，對(duì)于需要高精度的量子計(jì)算和精密測(cè)量科學(xué)研究是致命的；與量子源、量子計(jì)算/通信單元之間接口的困難，包括時(shí)間延遲、保真度損失等，阻礙了存儲(chǔ)技術(shù)的有效集成和應(yīng)用；實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、集成化、穩(wěn)定可靠的量子存儲(chǔ)陣列的技術(shù)難度巨大。這些挑戰(zhàn)直接制約了量子信息處理能力的提升，使得許多需要長(zhǎng)期存儲(chǔ)量子態(tài)或大規(guī)模量子互連的科學(xué)研究目標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)。2.解析：在量子密鑰分發(fā)（QKD）中，量子存儲(chǔ)技術(shù)主要用于解決單光子源在時(shí)間上的不連續(xù)性問題，或者存儲(chǔ)來自量子信道的信息，以便進(jìn)行后續(xù)的測(cè)量、比較和糾錯(cuò)。例如，在BB84等協(xié)議中，接收方需要存儲(chǔ)探測(cè)到的單光子量子態(tài)信息，與本地參考態(tài)進(jìn)行比對(duì)，并通過存儲(chǔ)比對(duì)結(jié)果來計(jì)算密鑰。量子存儲(chǔ)也支持更復(fù)雜的QKD協(xié)議，如E91協(xié)議，需要存儲(chǔ)光子偏振態(tài)信息進(jìn)行貝爾不等式檢驗(yàn)。在量子隱形傳態(tài)（QST）中，量子存儲(chǔ)是關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一：一個(gè)粒子的未知量子態(tài)被編碼到兩個(gè)粒子的糾纏態(tài)中，其中一個(gè)粒子發(fā)送到目的地，而編碼了信息的另一個(gè)粒子則需要被存儲(chǔ)起來，直到接收方準(zhǔn)備好進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)量和解碼操作，才能完成量子態(tài)的傳輸。主要限制在于存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)時(shí)間、讀出/寫入保真度、以及存儲(chǔ)器與量子信道/計(jì)算單元之間接口的損耗和延遲，這些因素會(huì)影響QKD的安全性、密鑰率或QST的效率和保真度。3.解析：超導(dǎo)量子比特的優(yōu)勢(shì)在于：通常具有較長(zhǎng)的相干時(shí)間（尤其是特定類型如NV色心）；與經(jīng)典電子學(xué)接口相對(duì)成熟，便于集成和控制；可以實(shí)現(xiàn)較高的操作速度。劣勢(shì)在于：對(duì)環(huán)境噪聲（如磁場(chǎng)、溫度）極為敏感，需要苛刻的實(shí)驗(yàn)條件；相干時(shí)間相對(duì)有限，且可能隨時(shí)間波動(dòng)；集成度目前仍低于某些其他平臺(tái)。原子系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于：可以利用原子鐘的極長(zhǎng)相干時(shí)間；具有豐富的內(nèi)態(tài)和相互作用，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的量子存儲(chǔ)和操控；原子鐘本身就是精密的計(jì)時(shí)和頻率標(biāo)準(zhǔn)，可直接用于高精度測(cè)量。劣勢(shì)在于：與經(jīng)典電子學(xué)接口相對(duì)復(fù)雜；實(shí)現(xiàn)大規(guī)模存儲(chǔ)陣列的集成難度較大；部分原子系統(tǒng)對(duì)環(huán)境退相干較為敏感。在科學(xué)研究推動(dòng)方面，超導(dǎo)量子比特更適合需要快速操作和一定集成度的量子計(jì)算和量子通信相關(guān)研究；原子系統(tǒng)則在需要極致精度的基礎(chǔ)物理測(cè)量、量子傳感和長(zhǎng)時(shí)序量子模擬等領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特潛力。4.解析：量子存儲(chǔ)技術(shù)能夠“賦能”量子模擬器主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：首先，它允許將模擬過程中產(chǎn)生的中間量子態(tài)進(jìn)行存儲(chǔ)，從而可以處理比當(dāng)前內(nèi)存容量能直接容納的更大、更復(fù)雜的量子系統(tǒng)或更長(zhǎng)的時(shí)間演化過程；其次，存儲(chǔ)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)不同模擬階段或不同計(jì)算路徑結(jié)果的“緩存”，便于進(jìn)行后續(xù)的分析、比較或糾錯(cuò)，提高模擬的效率和可靠性；再者，通過量子存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)量子中繼器，可以將分布式量子模擬器或量子傳感器連接起來，構(gòu)建更大規(guī)模的量子網(wǎng)絡(luò)或模擬系統(tǒng)，解決“可擴(kuò)展性”問題；此外，存儲(chǔ)還可以用于實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的量子算法，如量子退火、量子機(jī)器學(xué)習(xí)等，這些算法在模擬研究中可能需要存儲(chǔ)中間狀態(tài)或結(jié)果。例如，在模擬強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子系統(tǒng)時(shí)，存儲(chǔ)器可以幫助模擬器處理海量的量子比特相互作用信息，或者存儲(chǔ)非絕熱過程中的量子態(tài)，從而揭示傳統(tǒng)計(jì)算方法難以觸及的物理現(xiàn)象。5.解析：量子存儲(chǔ)技術(shù)可以通過以下方式提升基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)的探測(cè)能力或開辟新方向：其一，通過實(shí)現(xiàn)量子中繼器，可以將分布式的高精度測(cè)量傳感器網(wǎng)絡(luò)連接起來，擴(kuò)展探測(cè)范圍，同時(shí)保持高保真度，這對(duì)于測(cè)量宇宙學(xué)參數(shù)、基本常數(shù)變化、或?qū)ふ页滦潜l(fā)等遙遠(yuǎn)事件的光信號(hào)至關(guān)重要；其二，基于量子存儲(chǔ)的量子傳感器（如量子雷達(dá)、量子成像）能夠達(dá)到超越經(jīng)典極限的靈敏度，可用于探測(cè)極其微弱的電磁場(chǎng)、引力波或暗物質(zhì)信號(hào)，推動(dòng)相關(guān)基礎(chǔ)物理問題的研究；其三，存儲(chǔ)技術(shù)可以使實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛴涗浐痛鎯?chǔ)極其短暫（如飛秒量級(jí)）的物理信號(hào)，結(jié)合高時(shí)間分辨率的測(cè)量，有助于捕捉和研究基本粒子的動(dòng)態(tài)過程或極端條件下的物理規(guī)律；其四，結(jié)合量子存儲(chǔ)和量子計(jì)算，可以設(shè)計(jì)新的量子算法來分析復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，或者模擬理論上難以實(shí)現(xiàn)的物理過程，從而可能發(fā)現(xiàn)新的物理定律或驗(yàn)證現(xiàn)有理論在極端條件下的適用性。6.解析（選擇領(lǐng)域：量子引力研究）：量子存儲(chǔ)技術(shù)可能為量子引力研究帶來新的機(jī)遇。當(dāng)前，探索量子引力的主要途徑包括宇宙學(xué)觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)室中的tabletop實(shí)驗(yàn)?zāi)M。量子存儲(chǔ)在其中可以發(fā)揮關(guān)鍵作用：首先，在利用原子干涉儀、量子光學(xué)或超導(dǎo)量子比特等進(jìn)行的tabletop實(shí)驗(yàn)中，存儲(chǔ)技術(shù)可以用于存儲(chǔ)超長(zhǎng)延遲的量子態(tài)或模擬極其復(fù)雜的時(shí)空幾何效應(yīng)，這有助于更精確地模擬和檢驗(yàn)愛因斯坦場(chǎng)方程的量子修正或模擬黑洞信息悖論等核心問題。其次，在未來的空間引力波探測(cè)中，存儲(chǔ)器可以用于存儲(chǔ)來自探測(cè)器（如LIGO、VIRGO、未來空間引力波探測(cè)器）的信號(hào)數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間累積分析、濾除噪聲、或者與其他天文觀測(cè)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，從而提高探測(cè)精度，可能發(fā)現(xiàn)目前無法觀測(cè)