2025年大學(xué)《量子信息科學(xué)》專業(yè)題庫——量子通信協(xié)議的設(shè)計與實現(xiàn)考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題3分，共30分。請將正確選項的字母填在括號內(nèi)）1.量子密鑰分發(fā)（QKD）利用了量子力學(xué)中的哪個基本原理來保證密鑰分發(fā)的安全性？(A)量子不可克隆定理(B)量子疊加原理(C)量子糾纏原理(D)量子退相干效應(yīng)2.在BB84協(xié)議中，發(fā)送方選擇發(fā)送|0?或|1?，以及選擇Z基或X基進行測量的依據(jù)是？(A)預(yù)先共享的經(jīng)典密鑰(B)隨機選擇(C)竊聽者的意圖(D)接收方的需求3.如果在BB84協(xié)議的密鑰協(xié)商階段，發(fā)送方發(fā)送的是|0?，但接收方在Z基上測量得到的是|+?，這種情況通常意味著？(A)出現(xiàn)了測量誤差(B)接收方選擇基錯誤(C)存在竊聽(D)量子信道損壞4.E91協(xié)議相比于BB84協(xié)議，其主要優(yōu)勢在于？(A)實現(xiàn)更簡單(B)傳輸距離更遠(C)對信道噪聲更魯棒(D)密鑰生成速率更高5.量子不可克隆定理指出，任何對未知量子態(tài)的精確復(fù)制都是不可能的，這意味著？(A)量子態(tài)無法被測量(B)量子信息可以無限復(fù)制(C)竊聽者無法復(fù)制被測量的量子態(tài)信息而不被察覺(D)量子計算機無法工作6.在量子通信系統(tǒng)中，探測器的重要作用是？(A)產(chǎn)生量子態(tài)(B)選擇測量基(C)測量單光子或糾纏光子對(D)存儲量子信息7.量子密鑰率指的是？(A)每秒可以傳輸?shù)谋忍財?shù)(B)每次測量可以獲得的比特數(shù)(C)實際生成的安全密鑰比特數(shù)(D)需要協(xié)商的密鑰比特總數(shù)8.偏差檢測（DGD）在QKD協(xié)議中的作用是？(A)直接生成密鑰(B)驗證通信雙方是否遵循了協(xié)議約定，是否存在竊聽(C)增加密鑰生成速率(D)降低密鑰錯誤率9.以下哪項技術(shù)通常用于克服QKD的距離限制？(A)增加發(fā)射功率(B)使用量子中繼器(C)采用更復(fù)雜的協(xié)議(D)使用光纖放大器10.量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域是？(A)大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲(B)高速互聯(lián)網(wǎng)接入(C)提供安全的經(jīng)典或量子信息傳輸通道(D)量子計算二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.量子通信協(xié)議的安全性主要基于量子力學(xué)中的________定理和貝爾不等式。2.在BB84協(xié)議中，發(fā)送方使用兩種量子態(tài)________和________以及兩種測量基________和________來協(xié)商密鑰。3.接收方在公開比對雙方選擇的基后，會移除其中________的部分，得到最終的共享密鑰。4.量子密鑰錯誤率（KER）是衡量QKD系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，其理想值應(yīng)為________。5.為了抵抗側(cè)信道攻擊，通常需要對協(xié)商好的密鑰進行________。6.E91協(xié)議利用了單光子對的________態(tài)和相應(yīng)的測量來檢測竊聽。7.量子通信實驗中，對單光子探測器的效率要求非常高，通常需要達到________%以上。8.量子存儲技術(shù)可以在量子信道中實現(xiàn)________，對于擴展量子通信距離至關(guān)重要。9.與經(jīng)典通信相比，量子通信的最大特點是任何竊聽行為都不可避免地會________量子態(tài)，從而被檢測到。10.量子通信目前的主要挑戰(zhàn)包括單光子源和探測器的性能、信道損耗以及________。三、簡答題（每題10分，共30分。請簡要回答下列問題）1.簡述BB84協(xié)議的基本工作流程。2.解釋什么是量子不可克隆定理，并說明其在量子通信（特別是QKD）中的意義。3.簡要說明QKD協(xié)議中偏差檢測（DGD）的原理及其目的。四、論述題（15分。請就以下問題展開論述）結(jié)合BB84協(xié)議的原理，討論影響其密鑰生成速率和安全性的主要因素有哪些？并簡要說明如何應(yīng)對其中的一些挑戰(zhàn)。試卷答案一、選擇題1.A2.B3.C4.C5.C6.C7.C8.B9.B10.C二、填空題1.不可克隆2.|0?,|1?,Z,X3.相同4.05.隱私放大6.貝爾7.908.延遲9.破壞10.成本與集成三、簡答題1.BB84協(xié)議基本工作流程：*發(fā)送方首先隨機選擇一個基（Z基或X基），然后根據(jù)所選基隨機選擇要發(fā)送的量子態(tài)（|0?或|1?）。例如，若選擇Z基發(fā)送|0?，或選擇X基發(fā)送|+?。*發(fā)送方將量子態(tài)編碼在光子等量子載體上，通過量子信道發(fā)送給接收方。*接收方同樣隨機選擇一個基（Z基或X基）對收到的量子態(tài)進行測量。*雙方公開協(xié)商他們各自選擇的測量基（這一過程可以通過經(jīng)典信道完成，且不泄露任何量子信息）。*接收方只保留那些自己測量基與發(fā)送方發(fā)送時所用基相同的結(jié)果。例如，如果接收方在Z基測量，則只保留發(fā)送方也使用Z基發(fā)送的|0?和|1?；丟棄發(fā)送方使用X基發(fā)送的|+?和|-?。*通過對保留的測量結(jié)果進行公開比對（只比對方差），雙方可以確定哪些比特是基于相同測量基得到的，從而得到共享的初始密鑰。最后可能還需要進行錯誤率估計和隱私放大來得到最終的安全密鑰。2.量子不可克隆定理及其意義：*原理：定理指出，對于任意未知量子態(tài)|ψ?，不存在一個量子操作U，能夠產(chǎn)生兩個精確相同的量子態(tài)|ψ?和|φ?，使得U(|ψ?)|Φ??=|ψ?|Φ??和U(|ψ?)|Φ??=|ψ?|Φ??（其中|Φ??是輔助量子態(tài)）。即不可能在不破壞原始量子態(tài)的前提下，精確復(fù)制一個未知的量子態(tài)。*意義：該定理是QKD安全性的核心物理基礎(chǔ)。在QKD協(xié)議中（如BB84），如果存在竊聽者Eve，她需要測量量子信道中的量子態(tài)以獲取密鑰信息。根據(jù)量子測量理論，任何測量都會不可避免地改變被測量的量子態(tài)的相干性或狀態(tài)。如果Eve試圖復(fù)制或存儲她測量的量子態(tài)（例如，使用某種克隆機），量子不可克隆定理保證她無法完美復(fù)制未知狀態(tài)，這種復(fù)制過程中的擾動或失敗將會被合法用戶（發(fā)送方和接收方）通過比較部分公開信息或偏差檢測來發(fā)現(xiàn)，從而暴露竊聽行為，保證了通信的安全性。3.偏差檢測（DGD）原理及其目的：*原理：DGD的主要思想是，即使竊聽者Eve能夠完美地模擬發(fā)送方Alice的行為，她也不可能完美地模擬信道中量子態(tài)的統(tǒng)計特性，除非她擁有與Alice相同的理想設(shè)備。通過比較接收方Bob測量得到的量子態(tài)統(tǒng)計分布與理論上的理想分布（基于Alice和Bob選擇的基和信道參數(shù)計算得到），可以檢測到統(tǒng)計上的偏差，進而判斷是否存在竊聽。*目的：DGD的主要目的是在不泄露密鑰的前提下，驗證Alice和Bob雙方在密鑰協(xié)商過程中是否都嚴格遵守了協(xié)議約定（即選擇了相同的測量基）。如果存在竊聽，Eve的行為通常會引入額外的統(tǒng)計偏差（例如，由于她可能使用了非理想的測量設(shè)備或策略），這種偏差可以通過DGD被Alice和Bob檢測出來。因此，DGD提供了一種在密鑰生成之后，對QKD系統(tǒng)的安全性進行后驗驗證的手段，確保生成的密鑰具有可接受的安全強度。四、論述題影響B(tài)B84協(xié)議密鑰生成速率和安全性的主要因素包括：1.量子信道質(zhì)量（損耗和噪聲）：光纖或自由空間信道的損耗會降低單光子的到達率，從而降低密鑰生成速率。信道噪聲（如散射、吸收）會干擾量子態(tài)，增加密鑰錯誤率（KER），降低可用密鑰率。信道損耗是限制QKD距離的主要因素。2.單光子源和探測器的性能：單光子源的質(zhì)量（如單光子純度、速率、亮度）直接影響可用光子數(shù)量和協(xié)議效率。探測器的效率（探測到單光子的概率）和暗計數(shù)率（無輸入光子時誤報的概率）對密鑰錯誤率和安全性至關(guān)重要。低效率和高暗計數(shù)都會增加KER，甚至可能被竊聽者利用。3.基選擇和測量效率：發(fā)送方和接收方基選擇的一致性直接影響可用于生成密鑰的比特數(shù)。接收方探測器的效率取決于其使用的測量基（Z基或X基的探測器效率通常不同），較低的測量效率會直接導(dǎo)致KER升高。偏差檢測的可靠性也依賴于對各種可能情況（不同基選擇組合）的精確統(tǒng)計建模。4.協(xié)議執(zhí)行和偏差檢測：實際執(zhí)行協(xié)議時的操作精度、時鐘同步等都會影響性能。偏差檢測的嚴格程度和實現(xiàn)方式也關(guān)系到能否有效發(fā)現(xiàn)竊聽。DGD的統(tǒng)計精度需要足夠的比對比特數(shù)才能可靠。5.環(huán)境干擾和側(cè)信道攻擊：量子信道外的環(huán)境噪聲（如電磁干擾）可能影響設(shè)備性能。更嚴重的是，竊聽者可能采用側(cè)信道攻擊（如測量探測器閃爍、分析發(fā)射功率波動等）來獲取密鑰信息，這需要通過設(shè)計抗側(cè)信道攻擊的協(xié)議或采用額外的物理層安全措施來應(yīng)對。應(yīng)對挑戰(zhàn)的方法：*提高信道質(zhì)量：使用低損耗光纖、中繼器（如基于存儲器的量子中繼器）來補償損耗，或利用自由空間傳輸（如衛(wèi)星QKD）克服大氣損耗。*提升設(shè)備性能：研發(fā)更高效率、更高純度、更高亮度的單光子源；研發(fā)更高效率、更低暗計數(shù)的單光子探測器。發(fā)