2025年大學(xué)《量子信息科學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——量子密碼學(xué)在信息安全中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填入括號(hào)內(nèi)，每題2分，共20分）1.量子密碼學(xué)利用量子力學(xué)的基本原理來保障信息安全，以下哪項(xiàng)不是量子力學(xué)區(qū)別于經(jīng)典物理的關(guān)鍵特性？A.波粒二象性B.量子疊加C.量子糾纏D.經(jīng)典決定論2.EPR佯謬和貝爾不等式在量子密碼學(xué)中主要意義在于？A.證明了量子力學(xué)的非定域性B.為量子密鑰分發(fā)的安全性提供了理論基礎(chǔ)C.揭示了量子不可克隆定理的局限性D.描述了量子密鑰泄露的主要途徑3.在BB84量子密鑰分發(fā)協(xié)議中，通信雙方需要預(yù)先約定好一個(gè)公開的基（basis），這個(gè)基的選擇通常通過什么方式實(shí)現(xiàn)？A.通過量子信道傳輸B.通過經(jīng)典信道傳輸C.通過量子存儲(chǔ)器存儲(chǔ)D.由量子退相干自動(dòng)決定4.量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)目前面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)之一是？A.量子態(tài)制備的復(fù)雜度B.量子測(cè)量的精度C.信道傳輸距離的限制D.量子中繼器的成本5.量子密碼分析的主要區(qū)別于經(jīng)典密碼分析之處在于它需要利用？A.計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力B.量子計(jì)算機(jī)的并行處理能力C.對(duì)通信過程的物理干擾D.對(duì)密鑰的統(tǒng)計(jì)分析6.量子不可克隆定理指出，一個(gè)未知的量子態(tài)不能被精確地復(fù)制，這對(duì)于量子密碼學(xué)的意義在于？A.保證了量子密鑰分發(fā)的安全性B.使得量子計(jì)算機(jī)無法破解經(jīng)典密碼C.限制了量子通信的距離D.提示了量子信息的存儲(chǔ)困難7.與傳統(tǒng)公鑰密碼體制（如RSA）相比，量子密碼學(xué)（特指QKD）的主要優(yōu)勢(shì)在于？A.提供了更高的加解密速度B.實(shí)現(xiàn)了理論上無條件的安全性C.成本更低廉D.更易于實(shí)現(xiàn)分布式密鑰管理8.如果QKD系統(tǒng)中的探測(cè)效率較低，會(huì)對(duì)量子密鑰分發(fā)的安全性產(chǎn)生什么影響？A.增加密鑰生成速率B.降低密鑰生成速率，并可能引入安全漏洞C.提高密鑰的強(qiáng)度D.使密鑰分發(fā)無法進(jìn)行9.后量子密碼學(xué)（PQC）研究的重點(diǎn)是？A.如何使量子計(jì)算機(jī)無法破解現(xiàn)有密碼體制B.如何實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的量子密鑰分發(fā)C.如何設(shè)計(jì)抗量子計(jì)算機(jī)攻擊的新型密碼體制D.如何將量子密碼學(xué)與其他信息安全技術(shù)融合10.量子密碼學(xué)目前主要應(yīng)用于哪些領(lǐng)域？A.網(wǎng)絡(luò)接入控制B.數(shù)據(jù)加密存儲(chǔ)C.高保密通信（如軍事、金融）D.病毒防護(hù)二、填空題（請(qǐng)將正確答案填入橫線上，每空2分，共20分）1.量子密鑰分發(fā)協(xié)議BB84中，發(fā)射端隨機(jī)選擇發(fā)送量子比特的______，接收端也隨機(jī)選擇自己的______進(jìn)行測(cè)量。2.量子不可克隆定理表明，對(duì)于一個(gè)未知量子態(tài)|ψ?，最多只能得到一個(gè)|ψ?和一個(gè)______的量子態(tài)。3.量子密鑰分發(fā)的安全性通常基于對(duì)量子態(tài)的______攻擊的抵抗能力。4.為了克服光纖傳輸距離對(duì)QKD的限制，研究人員正在探索自由空間QKD和基于______的QKD系統(tǒng)。5.量子密碼分析試圖通過測(cè)量______來推斷出量子密鑰。6.除了QKD，量子密碼學(xué)還包括對(duì)量子存儲(chǔ)、量子認(rèn)證等技術(shù)的應(yīng)用研究，目標(biāo)是構(gòu)建______體系。7.貝爾不等式是判斷一個(gè)系統(tǒng)是否滿足______理論的判據(jù)。8.量子密鑰分發(fā)的密鑰生成速率受到信道損耗、探測(cè)效率等因素的制約，通常遠(yuǎn)低于經(jīng)典密鑰生成方法。9.后量子密碼學(xué)研究的目標(biāo)是找到在______攻擊下依然安全的密碼體制。10.量子密碼學(xué)的發(fā)展對(duì)現(xiàn)有的信息安全理論提出了挑戰(zhàn)，促進(jìn)了人們對(duì)信息安全和______之間關(guān)系的思考。三、簡(jiǎn)答題（請(qǐng)簡(jiǎn)要回答下列問題，每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述量子密鑰分發(fā)（QKD）的基本原理及其安全性依據(jù)。2.簡(jiǎn)述量子不可克隆定理的內(nèi)容及其在量子密碼學(xué)中的意義。3.簡(jiǎn)述QKD系統(tǒng)面臨的主要噪聲來源及其對(duì)安全性的影響。4.簡(jiǎn)述量子密碼學(xué)與后量子密碼學(xué)（PQC）的主要區(qū)別和聯(lián)系。四、論述題（請(qǐng)就下列問題展開論述，每題10分，共30分）1.試分析量子密碼學(xué)在軍事或政府高保密通信中的應(yīng)用前景及其面臨的挑戰(zhàn)。2.試比較量子密鑰分發(fā)（QKD）與后量子密碼學(xué)（PQC）在技術(shù)路徑、安全性特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景上的異同。3.結(jié)合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展，探討量子密碼學(xué)未來可能取得突破的方向及其對(duì)信息社會(huì)可能產(chǎn)生的影響。試卷答案一、選擇題1.D2.B3.B4.C5.C6.A7.B8.B9.C10.C二、填空題1.基，基2.純態(tài)3.側(cè)信道4.量子存儲(chǔ)器5.量子態(tài)的光子偏振態(tài)6.量子安全7.定域?qū)嵲?.量子9.量子計(jì)算機(jī)10.量子力學(xué)三、簡(jiǎn)答題1.原理：QKD利用量子力學(xué)原理（如疊加、糾纏、不確定性原理、不可克隆定理）在量子信道中安全地分發(fā)密鑰。通信雙方通過測(cè)量共享的量子態(tài)（如光子偏振態(tài)）來生成一個(gè)只有他們知道的隨機(jī)密鑰。任何竊聽者的測(cè)量行為都會(huì)不可避免地干擾量子態(tài)，從而被合法通信雙方察覺。安全性依據(jù)：其安全性主要基于量子力學(xué)的基本原理。例如，在BB84協(xié)議中，竊聽者無法精確復(fù)制測(cè)量的量子比特，只能猜測(cè)其基，導(dǎo)致其測(cè)量結(jié)果與合法接收者的結(jié)果具有統(tǒng)計(jì)上的偏差。通過比較雙方的部分測(cè)量結(jié)果，合法雙方可以檢測(cè)到這種偏差，從而發(fā)現(xiàn)竊聽行為并丟棄已分發(fā)的密鑰。2.內(nèi)容：量子不可克隆定理指出，對(duì)于一個(gè)未知的量子態(tài)|ψ?，不可能存在一個(gè)操作，使得輸入為|ψ?和|φ?（|φ?為已知純凈態(tài)），輸出為兩個(gè)精確相同的|ψ?和|ψ?+|φ?。即無法完美復(fù)制一個(gè)未知的量子態(tài)，任何復(fù)制嘗試都會(huì)引入至少一個(gè)隨機(jī)的相位。意義：該定理是QKD安全性的核心基礎(chǔ)。它保證了即使竊聽者能夠無限次測(cè)量量子態(tài)而不被察覺，也無法完美復(fù)制量子密鑰比特，從而無法在測(cè)量后精確恢復(fù)密鑰信息。任何竊聽行為都會(huì)破壞量子態(tài)的原始特性，留下可被檢測(cè)的痕跡。3.主要噪聲來源：*信道損耗：光纖或自由空間傳輸中的能量損失，會(huì)降低信號(hào)光子的探測(cè)概率，增加誤碼率。*探測(cè)效率限制：探測(cè)器無法達(dá)到100%的探測(cè)效率，會(huì)引入錯(cuò)誤，模擬了測(cè)量不完美性，可能被用來進(jìn)行某些類型的量子攻擊。*環(huán)境噪聲/退相干：環(huán)境因素（如溫度波動(dòng)、電磁干擾）會(huì)擾動(dòng)量子態(tài)，使其退相干，影響測(cè)量結(jié)果。*光源非理想性：光源發(fā)出的光子在數(shù)量、時(shí)間、偏振態(tài)等方面與理想量子態(tài)的偏差。*收發(fā)端不對(duì)準(zhǔn)：光學(xué)系統(tǒng)安裝誤差導(dǎo)致光子無法有效進(jìn)入探測(cè)器。影響：這些噪聲會(huì)增加合法接收者在解密密鑰時(shí)產(chǎn)生的錯(cuò)誤，降低密鑰質(zhì)量。同時(shí)，某些噪聲源也可能被竊聽者利用來執(zhí)行特定的量子攻擊（如部分量子測(cè)量攻擊），因此需要通過協(xié)議設(shè)計(jì)、錯(cuò)誤率調(diào)整等手段來補(bǔ)償或減輕噪聲的影響。4.區(qū)別與聯(lián)系：*區(qū)別：QKD利用量子力學(xué)原理直接在物理層面保障密鑰分發(fā)的安全性，理論上提供信息論安全或認(rèn)證安全，但受限于物理實(shí)現(xiàn)（如傳輸距離、成本）。PQC則是在經(jīng)典計(jì)算模型下，尋找能夠抵抗量子計(jì)算機(jī)攻擊（Shor算法等）的密碼算法（公鑰、對(duì)稱密鑰、哈希函數(shù)、認(rèn)證碼等），不依賴量子力學(xué)原理，但需要證明其安全性。*聯(lián)系：兩者都旨在應(yīng)對(duì)未來信息安全面臨的挑戰(zhàn)。QKD主要解決密鑰分發(fā)環(huán)節(jié)的安全問題，而PQC旨在確保在密鑰生成后，加密、認(rèn)證等整個(gè)信息安全鏈條在量子計(jì)算機(jī)時(shí)代依然安全。PQC被認(rèn)為是應(yīng)對(duì)量子計(jì)算威脅的另一種重要技術(shù)路徑，與QKD共同構(gòu)成了未來量子安全體系的基石。當(dāng)前，由于QKD實(shí)現(xiàn)復(fù)雜且距離有限，PQC在實(shí)際應(yīng)用中更為普遍。四、論述題1.應(yīng)用前景：軍事通信（如指揮控制、戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)共享）和政府核心網(wǎng)絡(luò)（如金融系統(tǒng)、國(guó)家安全信息傳輸）對(duì)信息保密性要求極高。量子密碼學(xué)提供的理論上無條件的安全性，可以有效抵御未來量子計(jì)算機(jī)的破解威脅和任何潛在的側(cè)信道攻擊，確保通信內(nèi)容的絕對(duì)機(jī)密，對(duì)于維護(hù)國(guó)家安全、防止信息泄露具有不可替代的價(jià)值。QKD可以實(shí)現(xiàn)端到端的物理層安全密鑰交換，為上層應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的安全基礎(chǔ)。面臨的挑戰(zhàn)：主要包括技術(shù)成熟度和成本。目前QKD系統(tǒng)成本高昂，穩(wěn)定性、抗干擾能力有待提高，傳輸距離受限于現(xiàn)有光纖技術(shù)。軍事和政府環(huán)境通常要求設(shè)備小型化、高可靠性和強(qiáng)抗干擾能力，這對(duì)QKD的實(shí)現(xiàn)提出了更高要求。此外，需要構(gòu)建覆蓋廣泛、與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)兼容的QKD基礎(chǔ)設(shè)施。2.異同：*技術(shù)路徑：QKD基于量子物理原理，在量子信道上直接實(shí)現(xiàn)安全；PQC基于經(jīng)典數(shù)學(xué)（如數(shù)論、格論、編碼理論），設(shè)計(jì)抗量子計(jì)算的算法。*安全性特點(diǎn)：QKD提供基于量子力學(xué)原理的（通常認(rèn)為是）信息論安全或認(rèn)證安全，安全性依賴于物理定律；PQC提供基于計(jì)算復(fù)雜度證明的安全性，安全性依賴于對(duì)特定問題的計(jì)算難度的假設(shè)，目前被認(rèn)為是“在當(dāng)前技術(shù)下足夠安全”，但需要警惕未來算法突破。*應(yīng)用場(chǎng)景：QKD主要應(yīng)用于密鑰分發(fā)這一特定環(huán)節(jié)，通常作為物理層安全技術(shù)；PQC可以廣泛應(yīng)用于加密、解密、簽名、認(rèn)證等整個(gè)信息安全體系中，替代現(xiàn)有的公鑰密碼系統(tǒng)。*成熟度與成本：QKD技術(shù)相對(duì)較新，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，成本高，距離有限；PQC算法研究成熟，部分算法已標(biāo)準(zhǔn)化（如NISTPQC項(xiàng)目），實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易，成本較低。*聯(lián)系：兩者都旨在應(yīng)對(duì)未來信息安全威脅（主要是量子計(jì)算）。QKD和PQC可以結(jié)合使用，例如用QKD分發(fā)PQC算法生成的密鑰，構(gòu)建更全面的量子安全體系。3.突破方向與影響：*突破方向：*QKD技術(shù)：提高傳輸距離（如利用量子中繼器、自由空間傳輸、衛(wèi)星QKD）、降低成本、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、增強(qiáng)抗干擾能力、實(shí)現(xiàn)智能化和與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的無縫融合。*量子密碼分析：發(fā)展更有效的攻擊方法，以測(cè)試和提升QKD協(xié)議的安全性。*后量子密碼算法：繼續(xù)完善PQC算法的標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)更高效、更安全的算法，驗(yàn)證其在實(shí)際環(huán)境中的性能。*量子安全體系架構(gòu)：研究如何將QKD和PQC以及現(xiàn)有的信息安全技術(shù)有效結(jié)合，構(gòu)建端到端的量子安全信息系統(tǒng)。*影響：*重塑信息安全格局：量子密碼學(xué)的突破將從根本上改變信息安全的技術(shù)基礎(chǔ)，使得基于當(dāng)前計(jì)算能力的密碼體系（如RSA、ECC）失效，而量子安全體系成為必