2025年大學(xué)《量子信息科學(xué)》專業(yè)題庫——量子信息傳輸?shù)男录夹g(shù)考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20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）能夠抵抗竊聽的關(guān)鍵物理基礎(chǔ)是（）。A.量子不可克隆定理B.量子測量塌縮C.量子糾纏D.海森堡不確定性原理2.在E91量子密鑰分發(fā)協(xié)議中，利用的量子力學(xué)現(xiàn)象是（）。A.單光子干涉B.量子隱形傳態(tài)C.量子不可克隆D.量子糾纏的隨機性3.量子隱形傳態(tài)過程中，需要經(jīng)典通信來傳輸?shù)男畔⒘渴牵ǎ?。A.量子態(tài)所包含的全部信息B.貝爾態(tài)制備所需的信息C.傳輸粒子的測量結(jié)果D.重構(gòu)粒子的完整量子態(tài)信息4.以下哪一項不是目前制約量子密鑰分發(fā)實際應(yīng)用距離的主要原因？（）A.量子信道的損耗B.單光子探測器的效率限制C.量子存儲器的成熟度D.協(xié)議實現(xiàn)的復(fù)雜度和成本5.量子信道容量是衡量該信道傳輸量子信息能力上限的指標(biāo)，其計算通常與（）密切相關(guān)。A.信道帶寬B.信道噪聲功率C.發(fā)送端和接收端的量子操作自由度D.量子比特的數(shù)量6.在構(gòu)建分布式量子計算或量子網(wǎng)絡(luò)時，量子存儲器的主要作用是（）。A.增強量子態(tài)的相干性B.放大微弱的量子信號C.解決量子信息傳輸速度與處理速度的矛盾D.提高量子測量的精度7.以下哪種技術(shù)方案旨在克服自由空間傳輸中大氣損耗和湍流的影響？（）A.衛(wèi)星量子通信B.波分復(fù)用（WDM）C.量子中繼器D.增強型單光子探測器8.量子資源理論中的“Holevo界限”主要用于界定（）。A.量子信道能傳輸?shù)淖畲蠼?jīng)典信息量B.量子存儲器能保存的最長時間C.量子糾纏能提供的最大優(yōu)勢D.單個量子比特能攜帶的最大信息9.連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)（CV-QKD）相比于離散變量QKD，其主要優(yōu)勢之一是（）。A.對單光子源的要求更低B.更容易抵抗某些類型的測量攻擊C.能在更長的距離上實現(xiàn)D.理論上能達(dá)到更高的密鑰率10.量子網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)節(jié)點間信息交換的關(guān)鍵技術(shù)之一是（）。A.量子態(tài)層析B.量子路由C.量子態(tài)測量D.量子糾錯編碼二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.量子密鑰分發(fā)基于量子力學(xué)的基本原理，如______和______，使得任何竊聽行為都會被檢測到。2.實現(xiàn)量子隱形傳態(tài)至少需要兩個粒子處于一個特定的______態(tài)，以及一個量子信道和一定的______通信。3.衡量量子信道性能的重要指標(biāo)包括信道容量、______和______。4.量子存儲技術(shù)的發(fā)展對于構(gòu)建長距離量子通信網(wǎng)絡(luò)和______至關(guān)重要。5.庵野編碼（AdamiCode）是一種重要的量子糾錯碼，它可以將一個______量子比特的信息編碼到多個______量子比特中，從而實現(xiàn)錯誤糾正。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述量子密鑰分發(fā)（QKD）的基本原理，并說明其相比于經(jīng)典密鑰分發(fā)的安全性優(yōu)勢。2.解釋量子隱形傳態(tài)與經(jīng)典信息傳輸?shù)闹饕獏^(qū)別。3.闡述量子存儲器在量子信息傳輸中的作用及其面臨的挑戰(zhàn)。4.簡要說明量子網(wǎng)絡(luò)相較于經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)的主要特點和面臨的挑戰(zhàn)。四、計算題（每題10分，共20分）1.假設(shè)一個量子信道為理想的AWGN信道，信道容量為C比特/秒。若使用BB84協(xié)議進(jìn)行量子密鑰分發(fā)，單光子傳輸效率為η，探測器的效率為γ，且每個數(shù)據(jù)幀包含n個量子比特。請簡述計算該QKD系統(tǒng)最大密鑰率（k）的基本思路，并寫出關(guān)鍵公式（無需計算具體數(shù)值）。2.設(shè)一個量子存儲器能夠以保真度F存儲單個量子比特1秒?，F(xiàn)需要利用該存儲器實現(xiàn)一個簡單的量子中繼器功能，將經(jīng)過一個損耗較大（損耗因子ρ）的量子信道傳輸?shù)牧孔討B(tài)進(jìn)行存儲和轉(zhuǎn)發(fā)。請簡述該過程中可能面臨的主要保真度損失環(huán)節(jié)，并討論提高最終輸出態(tài)保真度的可能途徑。五、論述題（15分）結(jié)合當(dāng)前研究進(jìn)展，論述量子密鑰分發(fā)（QKD）從實驗室走向?qū)嶋H應(yīng)用所面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)，并探討幾種可能的解決方案或研究方向。試卷答案一、選擇題1.A2.D3.C4.C5.C6.C7.A8.A9.B10.B二、填空題1.量子不可克隆定理，海森堡不確定性原理2.經(jīng)典，貝爾3.信道噪聲，誤碼率4.分布式量子計算5.一個，多個三、簡答題1.原理：QKD利用量子力學(xué)原理（如量子不可克隆定理、測量塌縮、不確定性原理）進(jìn)行密鑰協(xié)商。發(fā)送方根據(jù)預(yù)設(shè)協(xié)議（如BB84）制備量子態(tài)并發(fā)送，接收方進(jìn)行測量。任何竊聽者在未破壞量子態(tài)的前提下嘗試測量都會不可避免地引入擾動，從而被發(fā)送方和接收方通過后續(xù)的公開經(jīng)典通信比對測量結(jié)果而發(fā)現(xiàn)。優(yōu)勢：與經(jīng)典密鑰分配需要通過不安全的信道傳輸密鑰不同，QKD利用量子信道本身的物理特性保證密鑰的安全性，理論上可達(dá)到信息論安全，竊聽無法在不被察覺的情況下進(jìn)行。2.區(qū)別：*信息載體：經(jīng)典傳輸傳輸經(jīng)典比特（0或1），量子傳輸傳輸量子比特（可處于0、1或疊加態(tài)）。*傳輸方式：經(jīng)典傳輸直接傳輸比特值，量子傳輸需要利用量子態(tài)的特定性質(zhì)（如糾纏）和經(jīng)典通信輔助。*不可復(fù)制性：量子信息具有不可克隆性，傳輸過程中不能精確復(fù)制未知量子態(tài)，必須通過測量和經(jīng)典通信來重建。*需要資源：量子傳輸除了需要量子信道和單光子源/探測器外，還需要處于特定糾纏態(tài)的兩個粒子，并需要經(jīng)典通信支持。3.作用：量子存儲器能夠暫時存儲量子信息（如量子態(tài)、糾纏），解決量子信息傳輸速度（光速）與處理/計算速度（可能較慢）不匹配的矛盾，是實現(xiàn)量子中繼器、構(gòu)建分布式量子計算和量子網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵器件。挑戰(zhàn)：當(dāng)前量子存儲器面臨的主要挑戰(zhàn)包括存儲時間有限、存儲/讀出保真度不高（會引入錯誤）、對環(huán)境噪聲敏感（退相干問題）、集成難度大、成本高等。4.特點：*信息載體：傳輸量子比特或量子態(tài)。*安全性：可集成QKD實現(xiàn)安全通信。*并行性：可利用量子糾纏實現(xiàn)并行通信或計算。*資源需求：需要量子態(tài)源、存儲器、糾纏源、量子測量設(shè)備等特殊資源。挑戰(zhàn)：主要挑戰(zhàn)包括量子信道的損耗和噪聲、量子中繼器/存儲器的技術(shù)成熟度、量子態(tài)的制備和操控精度、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的復(fù)雜性、以及如何與現(xiàn)有經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)融合等。四、計算題1.思路：計算QKD最大密鑰率需要考慮單次傳輸能分發(fā)的有效密鑰比特數(shù)以及每秒能成功傳輸?shù)牧孔颖忍貙?shù)。這受到信道容量、單光子傳輸效率、探測器效率、協(xié)議開銷（如隨機數(shù)生成、錯誤率計算等所需的經(jīng)典通信）以及噪聲和損耗的限制。關(guān)鍵在于確定在給定條件下，每次量子傳輸能成功分發(fā)多少有效的密鑰比特（扣除協(xié)議開銷后）。公式：最大密鑰率k=(有效比特數(shù)/每次傳輸總比特數(shù))×成功傳輸比特對率。其中，成功傳輸比特對率與信道容量、單光子傳輸效率η、探測器效率γ以及損耗有關(guān)，通常表示為C'=C×η×γ×(1-L)^n(L為損耗因子)，n為每對比特傳輸?shù)牧孔颖忍財?shù)。有效比特數(shù)取決于協(xié)議和錯誤糾正效率。最終公式需要綜合考慮這些因素，表達(dá)為η×γ×(1-L)^n×f(η,γ,L,n,C)的形式，其中f代表考慮協(xié)議開銷和錯誤處理后的有效因子。2.保真度損失環(huán)節(jié)：*信道傳輸損耗：量子態(tài)在通過損耗信道時，其振幅會衰減，導(dǎo)致保真度下降。*存儲器讀出誤差：從存儲器中讀出量子態(tài)時，由于存儲過程中的退相干和噪聲，讀出態(tài)可能與原始存儲態(tài)存在差異。*存儲器-信道接口：將存儲器中的量子態(tài)轉(zhuǎn)移到信道中，或在信道中接收并加載到存儲器中，這兩個過程都可能引入額外的錯誤。*信道-存儲器接口：接收到的經(jīng)過信道傳輸?shù)牧孔討B(tài)加載到存儲器中，同樣可能存在轉(zhuǎn)換錯誤。提高途徑：*使用低損耗量子信道。*提高量子存儲器的存儲時間和保真度。*優(yōu)化存儲器與信道之間的接口技術(shù)，減少轉(zhuǎn)換錯誤。*采用量子糾錯碼，在讀取后進(jìn)行錯誤糾正。*設(shè)計更先進(jìn)的量子中繼器方案，可能結(jié)合多級存儲和操作來累積和補償保真度損失。五、論述題量子密鑰分發(fā)（QKD）從實驗室走向?qū)嶋H應(yīng)用面臨諸多挑戰(zhàn)，主要包括：1.傳輸距離限制：光子在光纖或自由空間中傳輸時存在固有損耗，導(dǎo)致信號衰減，限制了QKD的安全通信距離。目前單段光纖傳輸距離尚在百公里量級，遠(yuǎn)低于經(jīng)典通信。解決方案包括：*量子中繼器：理論上可以延長傳輸距離，但實現(xiàn)復(fù)雜，特別是基于存儲器的中繼器在保真度保持和糾纏交換方面技術(shù)難度大。*衛(wèi)星量子通信：利用衛(wèi)星作為中繼或糾纏源，可克服地面光纖損耗限制，實現(xiàn)百公里至數(shù)千公里的傳輸，是當(dāng)前研究的熱點方向。*新型低損耗量子信道：研究應(yīng)用于量子通信的低損耗介質(zhì)（如特殊光纖、自由空間）或方案（如偏振復(fù)用）。2.成本與復(fù)雜度：實現(xiàn)QKD系統(tǒng)所需的單光子源、單光子探測器、量子存儲器等器件目前成本高昂、性能要求苛刻、系統(tǒng)搭建復(fù)雜。解決方案包括：*器件小型化與集成：利用微納加工、集成光子學(xué)等技術(shù)，降低器件尺寸和成本，便于集成化系統(tǒng)開發(fā)。*開發(fā)實用化器件：研究更經(jīng)濟、性能接近實用的量子源、探測器等方案，如基于半導(dǎo)體材料的器件。*協(xié)議優(yōu)化：設(shè)計更高效、抗干擾能力更強、對器件性能要求相對較低的QKD協(xié)議。3.安全性挑戰(zhàn)與對抗攻擊：理論上QKD是安全的，但實際系統(tǒng)可能存在漏洞，易受側(cè)信道攻擊（如測量攻擊、干擾攻擊）或環(huán)境噪聲影響。解決方案包括：*對抗QKD協(xié)議：研發(fā)能夠抵抗各種已知和未知攻擊的QKD協(xié)議，如基于糾纏的E91協(xié)議、能夠檢測連續(xù)變量攻擊的方案等。*安全性認(rèn)證與測試：建立完善的安全性評估和認(rèn)證體系，確保實際部署的QKD系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計的安全水平。*后量子密碼：考慮將QKD與后量子密碼（PQC）方案結(jié)