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存儲空間優(yōu)化考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題3分，共30分。請將正確選項的字母填在括號內(nèi)。）1.在量子信息存儲中，原子、離子阱、量子點等通常被視為（）。A.量子比特操作器B.量子態(tài)測量設備C.量子比特的物理存儲載體D.量子糾錯編碼方案2.以下哪個物理量是衡量量子存儲器存儲時間的關鍵指標？（）A.存儲效率B.寫入時間C.相干時間（T1或T2）D.量子比特數(shù)量3.在量子信息存儲空間優(yōu)化中，“多模態(tài)存儲”主要指的是（）。A.使用多個存儲單元并行存儲信息B.在單個存儲單元中利用多種不同的量子態(tài)來存儲信息C.增加存儲單元的物理尺寸D.提高存儲單元的讀寫速度4.量子糾錯編碼，如Steane碼，在信息存儲空間優(yōu)化方面的主要作用是？（）A.直接增加物理存儲單元的數(shù)量B.提高存儲系統(tǒng)的容錯能力，使得在錯誤率較高的情況下仍能有效利用存儲資源C.縮短量子態(tài)的相干時間D.實現(xiàn)量子態(tài)的無損存儲5.構建大規(guī)模量子計算或量子通信網(wǎng)絡時，對量子存儲器進行空間優(yōu)化的一個重要考量是（）。A.單個存儲單元的存儲時間B.存儲器之間的高效連接和路由優(yōu)化C.存儲器的讀寫保真度D.存儲器的制造成本6.以下哪種技術方案不屬于提高量子存儲空間利用率的直接途徑？（）A.發(fā)展更高密度的量子比特編碼方案B.采用更快的量子態(tài)操控技術C.實現(xiàn)多量子比特存儲D.優(yōu)化存儲陣列的布局以支持并行操作7.量子存儲器面臨的“規(guī)?；y題”主要指？（）A.如何將實驗室中的小規(guī)模存儲演示擴展到工業(yè)級應用B.如何在增加存儲規(guī)模的同時，保持甚至提升存儲空間利用率和性能指標C.如何降低大規(guī)模存儲系統(tǒng)的能耗D.如何提高單個存儲單元的存儲效率8.當利用光子作為量子比特進行存儲時，其存儲空間優(yōu)化的一個挑戰(zhàn)來自于（）。A.光子難以長時間保持相干B.光子狀態(tài)易受環(huán)境干擾C.單個光子難以承載大量信息，優(yōu)化存儲密度是關鍵D.光子存儲器的寫入速度較慢9.在量子信息科學中，將一個量子比特編碼到多個物理存儲單元中，其主要目的是？（）A.增加存儲容量B.實現(xiàn)量子隱形傳態(tài)C.提高系統(tǒng)的容錯能力，使信息存儲更穩(wěn)定D.減少對單個存儲單元的要求，從而降低成本10.對于量子存儲器，讀出保真度指的是？（）A.量子態(tài)從存儲器中讀出后保持其初始狀態(tài)的程度B.量子態(tài)從存儲器中讀出的速度C.存儲器單位時間內(nèi)可以讀出的量子比特數(shù)量D.存儲器中可存儲的量子比特總數(shù)二、簡答題（每小題5分，共20分。請簡明扼要地回答下列問題。）1.簡述量子存儲器的主要性能指標及其物理意義。2.解釋什么是“量子存儲空間優(yōu)化”，并列舉至少三種不同的優(yōu)化策略。3.簡述利用NV色心進行量子存儲的基本原理，并說明其在空間優(yōu)化方面可能面臨的挑戰(zhàn)。4.為什么在構建量子網(wǎng)絡時，優(yōu)化量子存儲器的空間利用和互聯(lián)方式至關重要？三、計算題（每小題10分，共20分。請寫出詳細的計算過程。）1.假設一個量子存儲器系統(tǒng)采用Surface碼對量子比特進行編碼，每個物理量子比特可以存儲9個邏輯量子比特。系統(tǒng)共有100個物理量子比特。在不考慮錯誤的情況下，該系統(tǒng)能夠有效存儲多少個邏輯量子比特？如果該系統(tǒng)的錯誤率較高，需要消耗10%的物理量子比特進行錯誤糾正，那么實際可用的邏輯存儲空間是多少？2.某種基于原子陷阱的量子存儲器，其單個量子比特的存儲時間（T2）為1毫秒。如果該存儲器采用多量子比特存儲技術，將兩個量子比特編碼存儲在單個原子中，假設編碼過程和讀取過程對相干性的影響可以忽略不計，那么這個雙量子比特存儲單元的有效存儲時間（以兩個量子比特的最短相干時間為限）大約是多少？如果編碼和解碼過程引入了額外的失真，可能導致相干時間減少20%，那么這個有效存儲時間又會變?yōu)槎嗌?？四、論述題（共30分。請結合所學知識，全面、深入地回答下列問題。）1.當前量子信息存儲技術面臨的主要挑戰(zhàn)有哪些？針對其中至少兩個挑戰(zhàn)，分別提出可能的優(yōu)化思路或研究方向，并簡要說明其原理和潛在優(yōu)勢。試卷答案一、選擇題1.C2.C3.B4.B5.B6.B7.B8.C9.C10.A二、簡答題1.量子存儲器的主要性能指標包括：存儲時間（如T1、T2），衡量量子態(tài)保持相干的能力；讀出/寫入時間，衡量存儲操作的效率；讀出/寫入保真度，衡量讀出/寫入后量子態(tài)與初始/目標狀態(tài)一致的程度；存儲效率，衡量有效利用存儲資源的能力；量子比特數(shù)量/密度，衡量單位體積或面積內(nèi)可存儲的量子比特數(shù)。物理意義在于這些指標決定了量子存儲器在量子信息處理（如量子計算、量子通信）中的可用性和實用性。2.量子存儲空間優(yōu)化是指在滿足特定應用需求的前提下，如何更高效、更密集地利用物理資源來存儲量子信息。優(yōu)化策略包括：采用多量子比特存儲編碼方案（如量子糾錯碼）提高編碼效率，用較少的物理比特存儲更多的有效信息；利用多模態(tài)存儲技術，如在單個物理單元內(nèi)存儲多個不同量子態(tài)（如不同能級、偏振）的信息；實現(xiàn)并行存儲與讀取操作，提高空間利用率和操作效率；優(yōu)化存儲陣列或網(wǎng)絡布局，減少冗余連接，提高資源利用率和信息傳輸效率。3.利用NV色心進行量子存儲的基本原理是利用NV色心在晶體點缺陷處局域的電子自旋態(tài)，通過光學或微波手段對其進行初始化、操控和讀出。信息存儲在電子自旋態(tài)的量子疊加或糾纏狀態(tài)中。空間優(yōu)化方面的挑戰(zhàn)可能在于：單個NV色心通常只能存儲一個量子比特，要增加存儲容量需要大量NV色心，如何在高密度排布下保持彼此間的隔離和相干性是一個挑戰(zhàn)；NV色心間的相互作用可能難以精確控制，影響編碼效率和糾錯能力；將NV色心集成到scalable的量子計算或通信器件中，并優(yōu)化其空間布局和互聯(lián)，也是一個重要的優(yōu)化方向。4.在構建量子網(wǎng)絡時，優(yōu)化量子存儲器的空間利用和互聯(lián)方式至關重要，因為：量子網(wǎng)絡節(jié)點需要高效地存儲接收到的量子信息（如量子態(tài)或密鑰），以便進行后續(xù)處理（如計算、路由）或與其他節(jié)點進行量子通信。優(yōu)化空間利用意味著可以用更少的物理資源實現(xiàn)所需的信息存儲容量，降低節(jié)點復雜度和成本。優(yōu)化互聯(lián)方式則關系到節(jié)點間量子態(tài)傳輸?shù)男屎捅Ｕ娑?，高效的互?lián)可以減少傳輸延遲和損耗，使得量子網(wǎng)絡能夠以更高的速度和可靠性進行信息交換，實現(xiàn)復雜的量子網(wǎng)絡功能，如分布式量子計算和量子互聯(lián)網(wǎng)。三、計算題1.計算過程：*無錯誤情況：系統(tǒng)有100個物理量子比特，采用Surface碼，每個物理量子比特存儲9個邏輯量子比特?？傔壿嫶鎯臻g=100個物理比特*9個邏輯比特/物理比特=900個邏輯量子比特。*考慮錯誤率：需要消耗10%的物理量子比特用于錯誤糾正。用于有效存儲的物理量子比特=100*(1-10%)=90個。實際可用邏輯存儲空間=90個物理比特*9個邏輯比特/物理比特=810個邏輯量子比特。*答案：無錯誤時900個邏輯量子比特；考慮錯誤率時810個邏輯量子比特。2.計算過程：*無額外失真：單個量子比特存儲時間T2=1ms。存儲兩個量子比特，有效存儲時間由最短的相干時間決定。因此，雙量子比特存儲單元有效存儲時間=1ms。*考慮額外失真：相干時間減少20%。減少量=1ms*20%=0.2ms。新的有效存儲時間=1ms-0.2ms=0.8ms。*答案：無額外失真時有效存儲時間為1ms；考慮額外失真時有效存儲時間為0.8ms。四、論述題（本題為開放性論述題，以下提供一種可能的回答思路和內(nèi)容框架，不作為唯一標準答案）挑戰(zhàn)與優(yōu)化思路：1.挑戰(zhàn)：長相干時間維持*思路：開發(fā)新型低損耗、高對稱性的量子比特體系（如高激發(fā)態(tài)離子、超導qubit的特定態(tài)）。優(yōu)化量子存儲器環(huán)境，構建超高真空、低溫、電磁屏蔽系統(tǒng)，減少環(huán)境退相干。發(fā)展量子糾錯技術，利用冗余編碼抵御退相干影響，延長有效存儲時間。*原理與優(yōu)勢：新材料/體系本身具有更長的固有相干時間；優(yōu)越的環(huán)境可以顯著減緩退相干速率；量子糾錯可以將信息編碼在糾錯碼中，即使部分物理比特退相干，信息也能被保護，從而大幅延長有效存儲時間，是實現(xiàn)秒級甚至更長存儲的關鍵。2.挑戰(zhàn)：高存儲密度與并行操作*思路：發(fā)展高密度存儲陣列技術，如在芯片上集成大量原子阱、NV色心或超導量子比特。研究并行量子態(tài)操控和讀出技術，如在存儲陣列中同時進行多比特的初始化、操作和測量。探索利用光子晶格等結構實現(xiàn)光子與存儲單元的高效、并行相互作用。*原理與優(yōu)勢：高密度意味著在單位面積/體積內(nèi)可以存儲更多量子比特，直接提升信息容量。并行操作則能顯著提高量子信息處理（如量子算法執(zhí)行、量子密鑰分發(fā)）的速度和吞吐量。結合兩者，可以在有限的物理空間內(nèi)實現(xiàn)大規(guī)模量子信息的存儲和高效處理，是構建實用化量子設備的關鍵。3.挑戰(zhàn)：存儲器與計算/通信單元的集成*思路：研究基于單一襯底或低損耗接口的集成方案，實現(xiàn)存儲器、邏