2025年大學(xué)《量子信息科學(xué)》專業(yè)題庫——量子信息科學(xué)的交叉學(xué)科研究領(lǐng)域考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述量子疊加和量子糾纏的基本概念，并分別說明它們在量子計算和量子通信中的一個具體應(yīng)用。二、量子計算被認(rèn)為是顛覆性技術(shù)，請簡述其與傳統(tǒng)計算在處理特定問題（如大數(shù)分解）上的核心差異，并說明量子算法（如Shor算法）為何能實現(xiàn)這種效率提升。三、量子密鑰分發(fā)（QKD）被譽為“無法破解”的通信方式，請闡述其基于量子力學(xué)基本原理（至少提及一條）的安全性保障機(jī)制，并簡述一個典型的QKD系統(tǒng)可能涉及的關(guān)鍵物理環(huán)節(jié)。四、量子傳感利用量子系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)對外界微擾極其敏感的特性，實現(xiàn)超越經(jīng)典傳感器的精度。請簡述利用原子干涉原理實現(xiàn)高精度磁場測量的基本思想，并列舉至少兩種可用于量子傳感的量子系統(tǒng)。五、量子信息科學(xué)的發(fā)展極大地依賴于多學(xué)科的合作。請選擇量子計算或量子通信中的一個具體研究方向，闡述物理學(xué)、計算機(jī)科學(xué)以及材料科學(xué)在該研究方向中的各自貢獻(xiàn)和相互作用。六、簡述量子隱形傳態(tài)的基本原理。它實現(xiàn)了信息的傳輸，但這是否意味著可以違反物理定律進(jìn)行超光速信息傳遞？請解釋原因。七、當(dāng)前量子信息科學(xué)各交叉學(xué)科領(lǐng)域發(fā)展面臨哪些共同的重大挑戰(zhàn)？請至少列舉三個方面，并簡要說明每一方面的困難所在。八、隨著量子技術(shù)的發(fā)展，量子測量在基礎(chǔ)科學(xué)研究中的應(yīng)用日益廣泛。請說明量子測量相較于經(jīng)典測量的優(yōu)勢體現(xiàn)在哪些方面，并舉例說明其在基礎(chǔ)物理驗證（如檢驗基本對稱性）中可能扮演的角色。試卷答案一、*解析思路：要求分別解釋量子疊加和量子糾纏的定義，并給出具體應(yīng)用實例。疊加是指量子比特可以處于多個狀態(tài)的線性組合。糾纏是指多個量子比特之間存在一種特殊的關(guān)聯(lián)，測量其中一個的狀態(tài)會瞬間影響另一個的狀態(tài)。應(yīng)用方面，疊加是量子計算的基石（如量子寄存器存儲信息），糾纏是許多量子算法（如量子隱形傳態(tài)、量子密鑰分發(fā)）和量子優(yōu)勢現(xiàn)象的基礎(chǔ)。二、*解析思路：要求對比量子計算與傳統(tǒng)計算在處理特定問題上的差異，并解釋量子算法效率高的原因。核心差異在于量子計算利用量子比特的疊加和糾纏特性，可以并行處理大量可能性，而傳統(tǒng)計算是基于布爾邏輯進(jìn)行順序計算。Shor算法利用量子傅里葉變換等操作，能在多項式時間內(nèi)分解大數(shù)，其效率遠(yuǎn)超傳統(tǒng)算法（指數(shù)級vs.多項式級），這是因為它能同時探索所有可能的因數(shù)分解路徑。三、*解析思路：要求闡述QKD的安全性原理（需基于量子力學(xué)）和系統(tǒng)物理環(huán)節(jié)。安全性原理主要基于量子不可克隆定理（復(fù)制量子態(tài)會破壞其狀態(tài)）和測量坍縮特性（測量會破壞原始量子態(tài)信息）。例如，在E91協(xié)議中，任何竊聽者測量單光子極化會引入擾動，通過比較合法用戶和竊聽者測得的統(tǒng)計量差異，可以探測到竊聽行為。物理環(huán)節(jié)可能包括光源（單光子源）、調(diào)制器、發(fā)射端和接收端的偏振分析器（或測量設(shè)備）、以及用于比較密鑰的信道。四、*解析思路：要求闡述原子干涉用于磁測量的基本思想和列舉量子系統(tǒng)?；舅枷胧抢迷樱ㄈ鐗A金屬原子）的磁矩與外部磁場相互作用，導(dǎo)致原子束通過不均勻磁場時發(fā)生偏轉(zhuǎn)（塞曼分裂或法拉第旋轉(zhuǎn)），偏轉(zhuǎn)程度與磁場強(qiáng)度成正比。通過檢測偏轉(zhuǎn)后的原子束，即可測量磁場?？捎玫牧孔酉到y(tǒng)包括原子蒸氣（如銫原子鐘）、原子干涉儀中的原子束、離子阱中的原子或離子等。五、*解析思路：要求選擇具體研究方向，闡述三大學(xué)科的貢獻(xiàn)與互動。例如選擇量子計算。物理學(xué)提供量子比特的物理實現(xiàn)方案（如超導(dǎo)qubit的微腔設(shè)計、離子阱的電磁操控），并發(fā)展量子誤差修正的理論基礎(chǔ)。計算機(jī)科學(xué)負(fù)責(zé)設(shè)計量子算法（如搜索、因子分解算法），開發(fā)量子編譯器和編程語言，以及進(jìn)行量子軟件的架構(gòu)設(shè)計。材料科學(xué)負(fù)責(zé)研發(fā)和制備高質(zhì)量的量子比特所需的基礎(chǔ)材料（如超導(dǎo)材料、半導(dǎo)體材料、光學(xué)晶體）和器件結(jié)構(gòu)。六、*解析思路：要求解釋量子隱形傳態(tài)原理，并判斷是否超光速傳信。量子隱形傳態(tài)是利用量子糾纏和經(jīng)典通信，將一個粒子的未知量子態(tài)傳輸?shù)搅硪粋€遙遠(yuǎn)粒子上。它傳輸?shù)氖橇孔討B(tài)本身的信息，而不是物質(zhì)或能量。它不能傳輸超光速信息，因為最終狀態(tài)的重建需要通過經(jīng)典信道傳輸兩個粒子之間的測量結(jié)果，經(jīng)典通信速度受光速限制。它傳輸?shù)氖恰盃顟B(tài)”，而不是“消息內(nèi)容”。七、*解析思路：要求列舉量子信息科學(xué)面臨的共同挑戰(zhàn)。挑戰(zhàn)可能包括：1）量子比特的相干時間短，易受環(huán)境噪聲干擾（退相干問題）；2）量子操作的精確性和控制難度大，實現(xiàn)容錯量子計算需要極大量的量子比特和復(fù)雜的糾錯編碼；3）缺乏成熟的量子測量技術(shù)，難以精確、高效地讀取量子態(tài)信息；4）缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的量子接口和量子網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，阻礙了量子技術(shù)的集成與應(yīng)用。八、*解析思路：要求說明量子測量的優(yōu)勢，并舉例其在基礎(chǔ)物理中的作用。優(yōu)勢在于能探測到經(jīng)典測量無法察覺的微小信號或量子效應(yīng)。例如，單個量子（如原子、光子）的測量就能達(dá)