2025年大學《量子信息科學》專業(yè)題庫——量子信息科學中的信息服務技術考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分）1.量子比特（Qubit）與經典比特相比，其核心優(yōu)勢在于能夠利用量子疊加原理表示（）狀態(tài)。A.一個B.兩個C.多個D.零個2.量子密鑰分發(fā)（QKD）協(xié)議BB84的安全性主要基于量子力學中的哪個基本原理？A.量子不可克隆定理B.量子測不準原理C.量子疊加原理D.量子糾纏原理3.在量子通信中，量子隱形傳態(tài)的主要功能是？A.傳輸量子比特的值B.傳輸經典信息C.在兩個節(jié)點間傳輸未知量子態(tài)，而不傳輸其攜帶的信息本身D.實現(xiàn)量子計算4.Grover搜索算法相較于經典搜索算法，其主要優(yōu)勢在于？A.可以破解所有經典密碼B.可以實現(xiàn)量子隱形傳態(tài)C.能夠以平方根加速的速度搜索無結構數(shù)據(jù)庫D.可以直接進行量子密鑰分發(fā)5.導致當前量子通信網(wǎng)絡難以大規(guī)模應用的主要技術瓶頸之一是？A.量子計算機的算力不足B.量子比特的相干時間有限和傳輸距離受限C.量子算法尚未成熟D.量子隨機數(shù)生成困難6.所謂的“量子抵抗型密碼”（PQC）是指旨在抵抗（）攻擊的下一代公鑰密碼體系。A.僅經典計算B.僅量子計算C.經典計算和量子計算D.純粹的密碼分析7.量子比特的“糾纏”特性意味著？A.兩個或多個量子比特必須具有相同的量子態(tài)B.對一個糾纏態(tài)中量子比特的測量會瞬間影響到另一個量子比特的狀態(tài)，無論它們相距多遠C.糾纏態(tài)是量子計算速度快的唯一原因D.糾纏態(tài)是一種可以被經典方式復制的量子態(tài)8.在量子信息科學語境下，“信息服務”主要指利用量子現(xiàn)象和技術來處理和傳遞（）。A.僅經典數(shù)據(jù)B.僅量子數(shù)據(jù)C.混合數(shù)據(jù)類型D.無法確定的數(shù)據(jù)類型9.量子數(shù)據(jù)庫相較于經典數(shù)據(jù)庫，其潛在優(yōu)勢可能體現(xiàn)在？A.存儲容量更小B.能夠利用量子并行性加速特定類型的查詢操作C.數(shù)據(jù)安全性自動增強D.不需要維護10.量子互聯(lián)網(wǎng)的終極目標之一是實現(xiàn)（）。A.量子計算機的全球聯(lián)網(wǎng)B.基于量子密鑰分發(fā)的絕對安全通信網(wǎng)絡C.實現(xiàn)全量子化的信息存儲D.僅限于科研領域的量子通信二、填空題（每空2分，共20分）1.量子比特的兩種基本狀態(tài)通常表示為|0?和_______。2.實現(xiàn)量子密鑰分發(fā)（QKD）的基本條件之一是量子信道必須滿足_______性質。3.量子隱形傳態(tài)利用了量子態(tài)的_______和量子糾纏兩個基本要素。4.Shor算法是第一個被發(fā)現(xiàn)的能夠有效分解大整數(shù)（從而破解RSA等公鑰密碼）的_______算法。5.為了抵抗量子計算機的攻擊，密碼學界正在研究基于格、多變量polynomial、哈希、編碼等困難問題的_______密碼體制。6.量子信息服務區(qū)別于傳統(tǒng)信息服務的關鍵在于其利用了_______和量子密鑰分發(fā)等量子特有的資源或技術。7.量子比特的疊加態(tài)意味著一個量子比特可以同時處于|0?和|1?的_______狀態(tài)。8.在量子網(wǎng)絡中，量子中繼器的作用類似于經典網(wǎng)絡中的_______設備，用于擴展量子通信距離。9.Grover算法雖然不能破解所有問題，但對于搜索無結構數(shù)據(jù)庫問題，其平均搜索次數(shù)是經典算法的_______開方倍。10.量子信息服務目前仍面臨的主要挑戰(zhàn)包括量子硬件的_______、量子態(tài)的存儲和傳輸難題等。三、簡答題（每題5分，共15分）1.簡述量子密鑰分發(fā)（QKD）BB84協(xié)議中，如何通過測量不同偏振基向量的量子態(tài)來提取密鑰。2.解釋什么是量子糾纏，并說明其在量子通信（如量子隱形傳態(tài)）中的作用。3.闡述量子信息服務在信息安全領域可能帶來的主要變革。四、論述題（每題10分，共20分）1.論述實現(xiàn)量子互聯(lián)網(wǎng)面臨的主要技術挑戰(zhàn)及其可能的解決方案。2.結合具體應用場景，論述量子信息科學中的信息服務技術（如QKD、量子數(shù)據(jù)庫檢索）相比傳統(tǒng)信息服務的優(yōu)勢與局限性。---試卷答案一、選擇題1.C2.A3.C4.C5.B6.C7.B8.B9.B10.B二、填空題1.|1?2.量子力學3.疊加4.量子5.后量子（或Post-Quantum）6.量子現(xiàn)象（或量子力學原理/量子資源）7.概率8.跳轉（或網(wǎng)關/路由器）9.N10.穩(wěn)定性（或算力/相干性）三、簡答題1.答案要點：BB84協(xié)議使用兩種不同的量子偏振基（如水平|H?和垂直|V?，以及+45度|+?和-45度|??）。發(fā)送方隨機選擇偏振基對量子比特進行編碼并發(fā)送。接收方獨立隨機選擇偏振基對接收到的量子比特進行測量，并記錄測量結果（四個可能的基礎態(tài)結果：HV,VH,++,--）。接收方和發(fā)送方公開協(xié)商（通過經典信道）他們各自選擇的是哪一對基。只有選擇了相同基的測量結果才有效，這些有效的測量結果序列構成了共享的隨機密鑰。通過比較部分結果來檢測是否有竊聽者存在。2.答案要點：量子糾纏是指兩個或多個量子比特之間存在一種特殊的關聯(lián)，使得它們的量子狀態(tài)不能獨立描述，即使它們相距很遠，測量其中一個量子比特的狀態(tài)會瞬時影響到另一個（或另一些）量子比特的狀態(tài)。作用：在量子隱形傳態(tài)中，糾纏態(tài)作為“通信信道”，用于傳輸一個未知量子態(tài)到遙遠的位置，而不需要直接傳輸量子比特本身，利用糾纏的關聯(lián)性確保遠端量子態(tài)的完整復制。3.答案要點：主要變革包括：1）實現(xiàn)原理上無法破解的絕對安全通信（QKD）；2）為海量數(shù)據(jù)提供理論上更高效的搜索和處理能力（量子數(shù)據(jù)庫）；3）可能催生全新的信息加密和認證機制，提升關鍵基礎設施和敏感信息的安全性；4）推動信息安全理論的發(fā)展，從經典域走向更安全的量子域。四、論述題1.答案要點：主要挑戰(zhàn)及解決方案：*挑戰(zhàn)1：量子比特的脆弱性和相干時間短。解決方案：發(fā)展更穩(wěn)定的量子比特（如拓撲量子比特）、改進量子存儲技術、采用糾錯編碼保護量子信息。*挑戰(zhàn)2：量子通信距離有限（受限于衰減和噪聲）。解決方案：研發(fā)量子中繼器技術，實現(xiàn)量子信號的放大和轉換。*挑戰(zhàn)3：量子網(wǎng)絡節(jié)點和協(xié)議標準化缺乏。解決方案：加強國際合作，制定統(tǒng)一的接口、協(xié)議和標準。*挑戰(zhàn)4：大規(guī)模量子計算和量子網(wǎng)絡基礎設施成本高昂。解決方案：通過技術創(chuàng)新降低硬件成本，發(fā)展更高效的量子器件和控制系統(tǒng)。*挑戰(zhàn)5：量子資源（如糾纏）的產生、管理和測量難度大。解決方案：研究更有效的量子態(tài)制備、操控和測量技術。（需展開論述，結合具體技術細節(jié)，說明為何是挑戰(zhàn)以及解決方案的可行性或研究方向）2.答案要點：優(yōu)勢與局限性：*優(yōu)勢：*QKD：提供基于物理定律的絕對安全通信保障，理論上能檢測到任何竊聽行為，遠超傳統(tǒng)密碼的破解風險。*量子數(shù)據(jù)庫檢索：利用Grover算法可對無結構數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)平方根加速搜索，極大提高信息檢索效率。*量子密碼學基礎：為未來應對量子計算威脅的后量子密碼體系奠定基礎。*新型信息服務：可能催生基于量子現(xiàn)象的獨特信息服務模式。*局限性：*QKD：目前傳輸距離有限，成本較高，實時通信協(xié)議實現(xiàn)復雜，且僅保障密鑰分發(fā)安全，不直接保障傳輸內容的機密性。*量子數(shù)據(jù)庫：目前仍處于研究階段，實現(xiàn)大規(guī)模量子數(shù)據(jù)庫面臨巨大技術挑戰(zhàn)，且Grover算法加速效果受限于問題規(guī)模和特定條件。*技術成熟度：量子信息服務技術尚