2025年大學(xué)《量子信息科學(xué)》專業(yè)題庫——量子信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡答題（每題6分，共30分）1.簡述量子密鑰分發(fā)（QKD）的基本原理及其主要安全性優(yōu)勢。2.量子隱形傳態(tài)（QIT）與經(jīng)典信息傳輸有何根本區(qū)別？簡述基于貝爾態(tài)測量的QIT的基本過程。3.簡述量子中繼器在量子通信網(wǎng)絡(luò)中的作用及其面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)。4.量子網(wǎng)絡(luò)與經(jīng)典計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相比，在體系結(jié)構(gòu)和協(xié)議設(shè)計方面有哪些顯著不同？5.試列舉量子信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可能帶來的幾個重大應(yīng)用前景領(lǐng)域。二、論述題（每題10分，共40分）1.分析影響量子密鑰分發(fā)（QKD）實際應(yīng)用的主要因素及其可能的解決方案。2.結(jié)合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展，論述實現(xiàn)全量子網(wǎng)絡(luò)（FullQuantumNetwork）所面臨的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。3.試述量子網(wǎng)絡(luò)中量子路由的基本思想，并比較不同量子路由方案的特點(diǎn)。4.從物理實現(xiàn)的角度，討論構(gòu)建大規(guī)模量子信息網(wǎng)絡(luò)所面臨的主要挑戰(zhàn)（至少三個方面）。三、應(yīng)用與展望題（每題15分，共30分）1.假設(shè)你要設(shè)計一個小型的量子安全通信網(wǎng)絡(luò)，需要選擇QKD方案并考慮網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，請簡述你的設(shè)計思路，并說明選擇該方案和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的原因。2.隨著量子計算技術(shù)的發(fā)展，量子信息網(wǎng)絡(luò)將扮演越來越重要的角色。請結(jié)合你對量子網(wǎng)絡(luò)的理解，闡述量子網(wǎng)絡(luò)在構(gòu)建未來量子互聯(lián)網(wǎng)中的作用和潛在價值。試卷答案一、簡答題1.答案：QKD利用量子力學(xué)的基本原理（如不確定性原理、不可克隆定理）確保密鑰分發(fā)的安全性。任何竊聽者的測量行為都會不可避免地干擾量子態(tài)，從而被合法的發(fā)送方和接收方檢測出來。其主要安全性優(yōu)勢在于理論上的無條件安全或信息論安全。解析思路：考察對QKD基本原理和安全性的理解。需要答出利用了量子力學(xué)特性（不確定原理、不可克隆定理是核心），并說明這是其安全性的來源，以及達(dá)到的安全級別（無條件或信息論安全）。2.答案：區(qū)別在于QIT傳輸?shù)氖橇孔討B(tài)信息，而非經(jīng)典比特信息，傳輸?shù)牧孔討B(tài)可以在目的地重建，但原始發(fā)送點(diǎn)的量子態(tài)被破壞（測量塌縮）?；具^程包括：在發(fā)送端制備要傳輸?shù)牧孔討B(tài)和一個共享的糾纏粒子對；將待傳量子態(tài)與糾纏粒子對進(jìn)行貝爾態(tài)測量；發(fā)送測量結(jié)果（經(jīng)典信息）；接收端根據(jù)收到的測量結(jié)果和本地共享的糾纏粒子對，運(yùn)用量子計算對本地粒子進(jìn)行相應(yīng)的幺正變換，即可在接收端得到完整的、與發(fā)送端幾乎相同的量子態(tài)。解析思路：考察對QIT基本概念和過程的掌握。第一問要求指出與經(jīng)典傳輸?shù)谋举|(zhì)區(qū)別（傳輸對象、原始狀態(tài)變化）。第二問要求描述標(biāo)準(zhǔn)QIT協(xié)議（EPR或Bell態(tài)）的關(guān)鍵步驟，包括準(zhǔn)備工作、測量、信息傳輸和接收端重建。3.答案：量子中繼器的作用是延長量子通信距離，它能夠接收、存儲、處理（如路由）和轉(zhuǎn)發(fā)量子信息，實現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)量子通信。主要技術(shù)挑戰(zhàn)包括：實現(xiàn)高保真度的量子存儲；在存儲和轉(zhuǎn)發(fā)過程中保持量子態(tài)的相干性；進(jìn)行單量子比特或雙量子比特的高精度操控；降低損耗和錯誤率；實現(xiàn)可靠的量子態(tài)重構(gòu)。解析思路：考察對量子中繼器功能及其難點(diǎn)的理解。要答出其核心作用（延長距離、存儲轉(zhuǎn)發(fā)），并列出幾個關(guān)鍵的技術(shù)難點(diǎn)，如存儲保真度、相干性維持、量子操控精度、錯誤率和重構(gòu)等。4.答案：顯著不同在于：物理層需要處理量子態(tài)的傳輸，涉及單光子源/探測器、量子存儲器、特殊傳輸介質(zhì)（光纖或自由空間）等；數(shù)據(jù)鏈路層需要考慮量子信息的錯誤糾正和路由選擇（量子路由）；網(wǎng)絡(luò)層則需處理量子資源的分配、多用戶接入和網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計，且量子態(tài)的不可克隆性給網(wǎng)絡(luò)協(xié)議帶來了根本性挑戰(zhàn)。解析思路：考察對量子網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)差異的理解。需要從物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層三個層面進(jìn)行比較，指出量子網(wǎng)絡(luò)特有的元素（量子設(shè)備、量子協(xié)議）以及由量子特性帶來的挑戰(zhàn)（如不可克隆）。5.答案：可能的應(yīng)用前景領(lǐng)域包括：構(gòu)建超高安全性的量子互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施（QKD網(wǎng)絡(luò)）；實現(xiàn)分布式量子計算，利用量子網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行大規(guī)模量子算法的協(xié)同計算；開發(fā)基于量子網(wǎng)絡(luò)的新型量子傳感系統(tǒng)，實現(xiàn)超高精度測量；支持量子密碼學(xué)的發(fā)展，保障信息安全；促進(jìn)量子物理研究和量子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化。解析思路：考察對量子信息網(wǎng)絡(luò)潛在價值的認(rèn)知廣度。要求列舉至少幾個有代表性的應(yīng)用方向，體現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)在安全、計算、傳感、密碼學(xué)、科研等方面的影響。二、論述題1.答案：影響QKD實際應(yīng)用的主要因素包括：傳輸距離限制（光纖損耗、大氣損耗導(dǎo)致單光子傳輸衰減）；量子中繼器的技術(shù)成熟度和成本；光源和探測器的性能（如單光子源的可控性、探測器的效率與噪聲）；系統(tǒng)復(fù)雜度和穩(wěn)定性；安全性認(rèn)證和標(biāo)準(zhǔn)化問題；以及與現(xiàn)有經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)融合的兼容性。解決方案可能涉及：開發(fā)低損耗傳輸介質(zhì)（如自由空間傳輸、新型光纖）、研制高性能量子中繼器、提升光源探測器性能、簡化系統(tǒng)設(shè)計提高穩(wěn)定性、建立完善的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)和體系、研究混合量子經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等。解析思路：考察對QKD實用化挑戰(zhàn)的深入分析和解決思路。需要全面列舉實際應(yīng)用中遇到的主要障礙，并對每個障礙提出可能的應(yīng)對策略或研究方向，體現(xiàn)分析問題和解決問題的能力。2.答案：實現(xiàn)全量子網(wǎng)絡(luò)面臨的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸主要有：量子中繼器的成熟度與規(guī)?；芰Γ貏e是多量子比特存儲和操控、低錯誤率轉(zhuǎn)換等；量子路由技術(shù)的突破，需要能夠處理復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蛯崿F(xiàn)可靠的量子態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)；量子網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化和協(xié)議體系的建立，缺乏統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)；節(jié)點(diǎn)設(shè)備的集成度、小型化和互操作性挑戰(zhàn)，難以實現(xiàn)大規(guī)模、低成本的量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；量子態(tài)的傳輸距離和穩(wěn)定性問題，遠(yuǎn)未達(dá)到實用化要求；以及量子網(wǎng)絡(luò)的安全防護(hù)體系構(gòu)建等。解析思路：考察對構(gòu)建全量子網(wǎng)絡(luò)挑戰(zhàn)的宏觀把握和深入理解。需要從核心設(shè)備（中繼器、路由器）、系統(tǒng)層面（標(biāo)準(zhǔn)、互操作）、物理實現(xiàn)（集成、距離）和安全等多個維度，分析當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的主要瓶頸所在。3.答案：量子路由的基本思想是在量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中實現(xiàn)未知量子態(tài)的按需轉(zhuǎn)發(fā)。它不同于經(jīng)典路由基于地址的轉(zhuǎn)發(fā)，量子路由需要處理量子態(tài)的相干性和糾纏特性?；具^程包括：節(jié)點(diǎn)接收輸入的未知量子態(tài)和可能的糾纏資源；通過量子測量和量子邏輯門操作，確定輸出端口；將處理后的量子態(tài)發(fā)送到目標(biāo)端口，并可能釋放或重新利用糾纏資源。不同方案可能基于存儲轉(zhuǎn)發(fā)（先存儲再轉(zhuǎn)發(fā)）、純交換（直接在內(nèi)存中交換）或混合方式，在路由效率、延遲、所需資源等方面各有特點(diǎn)。解析思路：考察對量子路由核心概念和實現(xiàn)方式的掌握。需要解釋量子路由與經(jīng)典路由的區(qū)別，描述其基本工作流程（接收、處理、轉(zhuǎn)發(fā)），并提及不同方案的特點(diǎn)比較，體現(xiàn)對量子路由原理的理解深度。4.答案：構(gòu)建大規(guī)模量子信息網(wǎng)絡(luò)面臨的物理實現(xiàn)挑戰(zhàn)主要包括：高質(zhì)量單光子源和單光子探測器的制備與集成，性能（效率、暗計數(shù)、時間分辨率）與成本需要大幅提升；高性能量子存儲器的開發(fā)，要求具備高保真度、長壽命、快速讀寫能力；低損耗、高相干性的量子傳輸介質(zhì)（特別是長距離光纖和自由空間通道）的研制；量子節(jié)點(diǎn)內(nèi)部和節(jié)點(diǎn)之間的量子接口技術(shù)，實現(xiàn)量子態(tài)與經(jīng)典信息的有效轉(zhuǎn)換和操控；以及大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)中量子態(tài)傳輸?shù)南喔蓵r間控制和錯誤率管理等問題。解析思路：考察對量子網(wǎng)絡(luò)物理層實現(xiàn)難點(diǎn)的具體認(rèn)知。需要結(jié)合量子信息網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵器件（光源、探測器、存儲器）和傳輸介質(zhì)，詳細(xì)列舉在物理實現(xiàn)層面遇到的主要技術(shù)挑戰(zhàn)，體現(xiàn)對底層技術(shù)的理解。三、應(yīng)用與展望題1.答案：設(shè)計小型量子安全通信網(wǎng)絡(luò)，我會選擇基于BB84協(xié)議的QKD系統(tǒng)，并采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。選擇BB84方案是因為它是最經(jīng)典、研究最成熟、安全性最高的QKD協(xié)議之一，有豐富的產(chǎn)品和應(yīng)用經(jīng)驗。選擇星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的原因是結(jié)構(gòu)簡單，中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)主要的控制和連接功能，便于管理和擴(kuò)展，適合小型網(wǎng)絡(luò)的需求。在設(shè)計時，還需要考慮光源和探測器的選擇（滿足距離要求）、傳輸介質(zhì)（光纖或自由空間）、以及后端量子密碼協(xié)議的選擇（如E91進(jìn)行安全性認(rèn)證）和安全防護(hù)措施。解析思路：考察將理論知識應(yīng)用于簡單系統(tǒng)設(shè)計的初步能力。需要結(jié)合QKD方案選擇（原理、優(yōu)缺點(diǎn)）和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇（優(yōu)缺點(diǎn)、適用場景）進(jìn)行論證，并考慮實際部署中的一些要素（設(shè)備、介質(zhì)、后端協(xié)議、安全），展現(xiàn)一定的系統(tǒng)設(shè)計思維。2.答案：量子網(wǎng)絡(luò)在構(gòu)建未來量子互聯(lián)網(wǎng)中扮演著核心角色。首先，量子網(wǎng)絡(luò)（特別是QKD網(wǎng)絡(luò)）是構(gòu)建量子互聯(lián)網(wǎng)安全基石的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，為分布式量子計算、量子傳感等應(yīng)用提供安全的資源連接。其次，量子網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)分布式量子計算的重要途徑，通過量子網(wǎng)絡(luò)連接多個量子計算節(jié)點(diǎn)，可以協(xié)同執(zhí)行復(fù)雜的量子算法，解決單節(jié)點(diǎn)無法處理的難題，極大地擴(kuò)展量子計算的能力和范圍。此外，量子網(wǎng)絡(luò)還能支持新型量子傳感系統(tǒng)的構(gòu)建，通過量子態(tài)的分布式測量和互聯(lián)，實現(xiàn)超越經(jīng)典極限的超精確測量能力，應(yīng)用于導(dǎo)航