2025年大學(xué)《量子信息科學(xué)》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——量子信息科學(xué)與物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展考試時(shí)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(jīng)典比特的主要區(qū)別在于其能夠處于（）狀態(tài)。A.0和1B.0或1C.0和1的疊加D.0和1的互斥2.下列哪一項(xiàng)不是量子信息科學(xué)的核心概念？A.量子疊加B.量子糾纏C.量子退相干D.量子隧穿3.物聯(lián)網(wǎng)通常被描述為由哪幾層構(gòu)成的體系結(jié)構(gòu)？（請(qǐng)按從下到上的順序填寫(xiě)至少兩層）4.量子密鑰分發(fā)（QKD）利用量子力學(xué)原理保證信息傳遞的安全性，其主要基于的量子力學(xué)特性是（）。A.量子不可克隆定理B.量子測(cè)量坍縮C.量子疊加態(tài)D.量子退相干5.與經(jīng)典傳感器相比，量子傳感器在哪些方面具有潛在優(yōu)勢(shì)？（請(qǐng)至少列舉兩項(xiàng)）6.Shor算法的主要應(yīng)用前景在于（）。A.實(shí)現(xiàn)超高速量子計(jì)算B.提高量子比特穩(wěn)定性C.加快量子密鑰分發(fā)速率D.模擬量子物理現(xiàn)象7.物聯(lián)網(wǎng)面臨的主要挑戰(zhàn)包括安全性、隱私、功耗和（）。8.量子雷達(dá)利用量子效應(yīng)可能實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)之一是（）。A.提高雷達(dá)探測(cè)距離B.降低系統(tǒng)功耗C.增強(qiáng)目標(biāo)探測(cè)的分辨率和隱蔽性D.以上都是9.邊緣計(jì)算在物聯(lián)網(wǎng)中的作用主要體現(xiàn)在（）。A.存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)B.進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和決策C.管理大量傳感器節(jié)點(diǎn)D.保障數(shù)據(jù)傳輸安全10.量子計(jì)算在處理物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)時(shí)，其潛在優(yōu)勢(shì)可能體現(xiàn)在（）方面。A.優(yōu)化算法設(shè)計(jì)B.提高數(shù)據(jù)傳輸速度C.增強(qiáng)傳感器靈敏度D.降低存儲(chǔ)成本二、簡(jiǎn)答題（每小題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述量子疊加態(tài)的概念及其在量子計(jì)算中的意義。2.簡(jiǎn)述量子糾纏的特性，并舉例說(shuō)明其在量子通信中的一個(gè)潛在應(yīng)用。3.簡(jiǎn)述物聯(lián)網(wǎng)感知層的主要功能及其面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。4.簡(jiǎn)述量子計(jì)算相比經(jīng)典計(jì)算在處理某些特定問(wèn)題上的優(yōu)勢(shì)。三、論述題（每小題10分，共30分）1.論述量子密鑰分發(fā)（QKD）的原理及其在解決傳統(tǒng)公鑰加密體系面臨量子計(jì)算攻擊威脅方面的意義。2.結(jié)合具體應(yīng)用場(chǎng)景，論述量子傳感技術(shù)如何能夠提升物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的性能。3.探討當(dāng)前將量子信息科學(xué)與物聯(lián)網(wǎng)深度融合所面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)，并簡(jiǎn)要提出可能的應(yīng)對(duì)思路或研究方向。試卷答案一、選擇題1.C2.D3.感知層，網(wǎng)絡(luò)層4.A5.高精度、高靈敏度、抗干擾能力強(qiáng)等6.B7.海量數(shù)據(jù)處理8.D9.B10.A二、簡(jiǎn)答題1.量子疊加態(tài)是指一個(gè)量子比特可以同時(shí)處于|0?和|1?的線(xiàn)性組合狀態(tài)，例如α|0?+β|1?，其中α和β是復(fù)數(shù)系數(shù)。疊加態(tài)是量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算和量子算法高效性的基礎(chǔ)，因?yàn)閷?duì)疊加態(tài)進(jìn)行量子門(mén)操作可以同時(shí)修改多個(gè)量子比特的狀態(tài)。2.量子糾纏是指兩個(gè)或多個(gè)量子粒子之間存在的一種特殊關(guān)聯(lián)，即使它們相隔遙遠(yuǎn)，測(cè)量其中一個(gè)粒子的狀態(tài)會(huì)瞬間影響到另一個(gè)粒子的狀態(tài)。其特性是無(wú)法復(fù)制。潛在應(yīng)用：在量子通信中，可以利用量子糾纏實(shí)現(xiàn)安全的量子密鑰分發(fā)（QKD），或者構(gòu)建量子隱形傳態(tài)，實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)程傳輸。3.感知層是物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的最底層，主要負(fù)責(zé)采集環(huán)境中的信息，包括各種物理量、化學(xué)量、生物量等，并將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可傳輸?shù)母袷?。主要功能：感知、采集、傳輸?shù)據(jù)。面臨挑戰(zhàn)：傳感器的能量供應(yīng)、小型化、低成本、環(huán)境適應(yīng)性、數(shù)據(jù)采集的精度和可靠性、大規(guī)模傳感器節(jié)點(diǎn)的管理與協(xié)同等。4.量子計(jì)算利用量子比特的疊加和糾纏特性，可以同時(shí)處理大量可能性，使得某些特定問(wèn)題（如大數(shù)分解、數(shù)據(jù)庫(kù)搜索）的求解效率遠(yuǎn)超最先進(jìn)的經(jīng)典計(jì)算機(jī)。例如，Shor算法可以在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)分解大整數(shù)，而經(jīng)典計(jì)算機(jī)需要指數(shù)時(shí)間，這對(duì)于基于大數(shù)分解的傳統(tǒng)公鑰加密體系（如RSA）構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。三、論述題1.量子密鑰分發(fā)（QKD）利用單光子量子態(tài)或糾纏光子對(duì)進(jìn)行密鑰協(xié)商。其原理基于量子力學(xué)的基本原理，特別是不可克隆定理和測(cè)量塌縮特性。任何竊聽(tīng)者的測(cè)量行為都會(huì)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(cè)出來(lái)。例如，在BB84協(xié)議中，竊聽(tīng)者無(wú)法精確復(fù)制未知偏振態(tài)的光子，其干擾會(huì)導(dǎo)致密鑰錯(cuò)誤率升高。QKD能夠提供理論上的無(wú)條件安全（或信息論安全），有效解決了傳統(tǒng)公鑰加密體系（如RSA、ECC）在面臨足夠強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)攻擊時(shí)可能被破解的安全威脅，為構(gòu)建未來(lái)量子互聯(lián)網(wǎng)的安全通信基礎(chǔ)提供了可能。2.量子傳感技術(shù)具有極高的靈敏度和精度，能夠探測(cè)到傳統(tǒng)傳感器無(wú)法感知的微弱信號(hào)，這使得它在提升物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)性能方面具有巨大潛力。例如：在環(huán)境監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)中，基于NV色心或原子干涉儀的量子傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣污染物（如NO?、NH?）、微量氣體（如甲烷）、輻射等的超靈敏檢測(cè)，提高環(huán)境監(jiān)測(cè)的精度和預(yù)警能力；在定位導(dǎo)航物聯(lián)網(wǎng)中，量子雷達(dá)或量子增強(qiáng)的全球定位系統(tǒng)（GPS）可以突破傳統(tǒng)雷達(dá)的分辨率極限，實(shí)現(xiàn)更精確的目標(biāo)探測(cè)、測(cè)距和導(dǎo)航，特別是在GPS信號(hào)受干擾或不可用的環(huán)境下；在健康監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)中，量子生物傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生物標(biāo)志物的超靈敏檢測(cè)，用于早期疾病診斷和健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)。這些應(yīng)用能夠顯著提升物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在感知層面的性能和可靠性。3.當(dāng)前將量子信息科學(xué)與物聯(lián)網(wǎng)深度融合面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)包括：首先，量子比特的穩(wěn)定性和相干時(shí)間有限，容易受到環(huán)境噪聲的干擾（退相干），這限制了量子設(shè)備在實(shí)際復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用壽命和可靠性；其次，量子設(shè)備的制備和運(yùn)行成本高昂，體積龐大，難以大規(guī)模集成和部署到資源受限的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)中；再次，缺乏成熟的量子硬件接口和與經(jīng)典物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的兼容標(biāo)準(zhǔn)，使得量子技術(shù)與傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的融合存在技術(shù)壁壘；此外，量子算法的設(shè)計(jì)和應(yīng)用仍處于早期階段，針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)具體問(wèn)題的高效量子算法相對(duì)缺乏；最后，量子安全保障機(jī)制（如QKD）的實(shí)用化、網(wǎng)絡(luò)化以及相關(guān)的安全協(xié)議和法規(guī)體系尚不完善。應(yīng)對(duì)