2025年大學(xué)《量子信息科學(xué)》專業(yè)題庫——量子信息處理中的量子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請將正確選項(xiàng)字母填入括號內(nèi)）1.量子密鑰分發(fā)（QKD）的核心優(yōu)勢在于利用了（）的基本屬性來保證密鑰的安全性。A.量子疊加B.量子隧穿C.量子糾纏D.量子不可克隆定理2.下列哪一項(xiàng)不是實(shí)現(xiàn)量子比特遠(yuǎn)程傳輸所必需的基礎(chǔ)資源？A.單光子源B.量子存儲器C.高純度量子信道D.強(qiáng)大的經(jīng)典計(jì)算資源3.在量子網(wǎng)絡(luò)中，量子中繼器的主要功能是？A.增強(qiáng)量子信號的幅度B.分發(fā)量子密鑰C.存儲和轉(zhuǎn)發(fā)量子態(tài)D.測量并修復(fù)量子比特的錯(cuò)誤4.BB84量子密鑰分發(fā)協(xié)議中，Alice通過改變兩個(gè)不同的物理參數(shù)來編碼量子比特，這兩個(gè)參數(shù)通常是？A.量子比特的偏振方向和相位B.量子比特的能級和自旋C.量子比特的傳輸路徑和速度D.量子比特的測量時(shí)間和地點(diǎn)5.量子存儲器的關(guān)鍵指標(biāo)之一是（）。A.量子比特的相干時(shí)間B.經(jīng)典比特的傳輸速率C.量子中繼器的數(shù)量D.網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膹?fù)雜度6.以下哪種技術(shù)被認(rèn)為是構(gòu)建大規(guī)模量子互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵瓶頸之一？A.單光子探測器的發(fā)展B.量子隨機(jī)數(shù)生成器的設(shè)計(jì)C.量子糾錯(cuò)碼的效率D.經(jīng)典路由器的性能7.量子網(wǎng)絡(luò)與經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)的根本區(qū)別在于其傳輸和處理的比特是？A.指令代碼B.模擬信號C.量子態(tài)D.光子信號8.E91量子密鑰分發(fā)協(xié)議利用了（）的非定域性來檢測竊聽。A.量子疊加態(tài)B.量子隱形傳態(tài)C.量子糾纏D.量子退相干9.以下哪項(xiàng)不是量子網(wǎng)絡(luò)潛在的應(yīng)用領(lǐng)域？A.分布式量子計(jì)算B.全球定位系統(tǒng)（GPS）C.安全通信網(wǎng)絡(luò)D.量子傳感網(wǎng)絡(luò)10.量子網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)之一是（）。A.量子比特制備成本過高B.經(jīng)典計(jì)算機(jī)算力不足C.無法實(shí)現(xiàn)量子糾纏D.缺乏統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)二、填空題（每空1分，共15分。請將答案填入橫線上）1.量子密鑰分發(fā)（QKD）利用了量子力學(xué)的________定理來確保密鑰無法被竊聽者復(fù)制，從而保證通信安全。2.實(shí)現(xiàn)量子比特在長距離信道中傳輸?shù)闹饕系K是量子態(tài)的________和信道損耗。3.量子中繼器是連接量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，其核心功能之一是存儲和轉(zhuǎn)發(fā)________。4.在量子網(wǎng)絡(luò)中，通常使用________源和________探測器來產(chǎn)生和檢測單個(gè)光子。5.量子網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要考慮節(jié)點(diǎn)數(shù)量、連接方式以及________等因素。6.量子互聯(lián)網(wǎng)的最終目標(biāo)之一是實(shí)現(xiàn)全局范圍內(nèi)的________量子通信和計(jì)算。7.單光子源的性能指標(biāo)主要包括單光子發(fā)射率、光譜寬度和________。8.量子存儲器按照存儲介質(zhì)的不同，可以分為固態(tài)存儲器和________存儲器。9.分布式量子計(jì)算需要量子網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)多個(gè)量子處理器之間的________。10.量子網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性是指網(wǎng)絡(luò)能夠有效支持節(jié)點(diǎn)數(shù)量和________增長的能力。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述量子密鑰分發(fā)（QKD）的基本原理及其安全性保證的關(guān)鍵因素。2.解釋什么是量子隱形傳態(tài)，并簡述其在量子網(wǎng)絡(luò)中的作用。3.簡述量子中繼器的工作原理及其在構(gòu)建長距離量子通信鏈路中的重要性。4.比較量子網(wǎng)絡(luò)和經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)缺點(diǎn)。四、綜合應(yīng)用題（每題10分，共20分）1.假設(shè)一個(gè)量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需要與其他三個(gè)節(jié)點(diǎn)建立量子密鑰分發(fā)鏈路。請簡述使用BB84協(xié)議進(jìn)行密鑰協(xié)商的基本步驟，并說明在協(xié)商過程中如何發(fā)現(xiàn)并排除潛在的竊聽行為。2.闡述量子中繼器技術(shù)面臨的幾個(gè)主要挑戰(zhàn)，并提出應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的可能研究方向或技術(shù)方案。試卷答案一、選擇題1.D2.D3.C4.A5.A6.C7.C8.C9.B10.D二、填空題1.不可克隆2.退相干3.量子態(tài)4.單光子，單光子5.量子糾纏6.安全7.波長穩(wěn)定性/時(shí)間抖動(dòng)8.光子9.量子糾纏10.連接數(shù)量/規(guī)模三、簡答題1.原理：QKD利用單光子或糾纏光子對進(jìn)行密鑰分發(fā)。發(fā)送方（Alice）根據(jù)隨機(jī)選擇的基（偏振基或路徑基）編碼量子態(tài)，并通過量子信道發(fā)送；接收方（Bob）使用與Alice相同的基進(jìn)行測量。Alice和Bob通過公開的經(jīng)典信道比較他們選擇的基，僅對使用相同基測量的結(jié)果進(jìn)行比對，從而生成共享的密鑰。竊聽者（Eve）若試圖測量量子態(tài)，不可避免地會(huì)引入擾動(dòng)，改變量子態(tài)的疊加態(tài)，導(dǎo)致Alice和Bob比對結(jié)果出現(xiàn)大量錯(cuò)誤，從而暴露竊聽行為。安全性保證關(guān)鍵因素：量子不可克隆定理（阻止竊聽者復(fù)制量子態(tài)）、測量擾動(dòng)效應(yīng)（使竊聽行為可被檢測）以及Alice和Bob對測量結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證的公開經(jīng)典協(xié)議。2.原理：量子隱形傳態(tài)是在經(jīng)典信道的輔助下，將一個(gè)未知量子態(tài)從一個(gè)地點(diǎn)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)地點(diǎn)的過程。需要一對處于糾纏態(tài)的粒子（如粒子A和粒子B），以及發(fā)送方（Alice）持有待傳輸?shù)牧孔討B(tài)（粒子C）和粒子A，接收方（Bob）持有粒子B。Alice對粒子A和粒子C進(jìn)行聯(lián)合測量（通常測量糾纏基），并將測量結(jié)果通過經(jīng)典信道發(fā)送給Bob。Bob根據(jù)接收到的測量結(jié)果，對他持有的粒子B施加相應(yīng)的量子旋轉(zhuǎn)操作。最終，粒子C的未知量子態(tài)就“傳輸”到了粒子B上。作用：量子隱形傳態(tài)本身不傳輸粒子，而是傳輸量子態(tài)信息，它是構(gòu)建分布式量子計(jì)算和量子通信網(wǎng)絡(luò)的重要基礎(chǔ)，可以實(shí)現(xiàn)量子信息的遠(yuǎn)程共享。3.原理：量子中繼器接收來自一個(gè)節(jié)點(diǎn)的糾纏粒子對，將其部分量子態(tài)信息存儲起來，然后將另一部分粒子傳輸?shù)较乱粋€(gè)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)粒子到達(dá)下一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，中繼器將其存儲的信息與到達(dá)的粒子進(jìn)行操作（如測量和量子邏輯門），再將處理后的粒子發(fā)送給最終目的地。這個(gè)過程使得量子態(tài)能夠在經(jīng)歷信道損耗和退相干的情況下，跨越更長的距離。重要性：沒有量子中繼器，量子態(tài)（尤其是糾纏態(tài)）在長距離傳輸中會(huì)因損耗和退相干而迅速衰減，無法實(shí)現(xiàn)有效的量子通信和計(jì)算。量子中繼器克服了量子態(tài)傳輸距離的限制，是構(gòu)建大規(guī)模量子互聯(lián)網(wǎng)的基石。4.優(yōu)點(diǎn)：*安全性：量子網(wǎng)絡(luò)基于量子力學(xué)原理，能夠?qū)崿F(xiàn)原理上無法被竊聽的安全通信（如QKD）。*并行性/高維性：量子比特（qubit）具有疊加和糾纏特性，理論上一個(gè)量子比特能表示多經(jīng)典比特的信息，可能實(shí)現(xiàn)極高的通信容量和并行處理能力。*高效率：某些量子通信過程（如基于糾纏的通信）可能比經(jīng)典通信更高效。缺點(diǎn)：*技術(shù)挑戰(zhàn)：量子比特制備、操控、傳輸和存儲的穩(wěn)定性差，易受環(huán)境干擾（退相干），技術(shù)門檻高。*距離限制：量子態(tài)在傳輸中損耗和退相干嚴(yán)重，目前量子通信距離有限，需要量子中繼器。*成本高昂：所需硬件設(shè)備（如單光子源、探測器、量子存儲器）成本非常高。*協(xié)議復(fù)雜：量子通信協(xié)議比經(jīng)典協(xié)議復(fù)雜得多。*標(biāo)準(zhǔn)化缺乏：量子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)尚處于早期發(fā)展階段，缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。四、綜合應(yīng)用題1.BB84密鑰協(xié)商步驟：*準(zhǔn)備階段：Alice準(zhǔn)備一個(gè)隨機(jī)比特序列（密鑰比特），并為每個(gè)比特隨機(jī)選擇一個(gè)基（{|0?,|1?}基或{|+?,|-?}基或{|↑?,|↓?}基）。她根據(jù)選擇的基，將量子比特編碼成相應(yīng)的量子態(tài)（|0?對應(yīng){|0?,|+?}，|1?對應(yīng){|1?,|-?}），通過量子信道發(fā)送給Bob。*傳輸階段：量子比特在量子信道中傳輸，可能被竊聽者Eve監(jiān)測。*測量階段：Bob根據(jù)自己的隨機(jī)選擇的基對接收到的量子比特進(jìn)行測量，得到一個(gè)測量結(jié)果比特序列。*公開討論階段：Alice和Bob通過公開的經(jīng)典信道，公布各自選擇的基序列。他們僅保留那些選擇了相同基的測量結(jié)果比特對。*密鑰生成：Alice將她在相同基下發(fā)送的比特序列告訴Bob，Bob根據(jù)自己測量的結(jié)果和Alice公布的發(fā)送比特，生成共享的密鑰。*安全性驗(yàn)證（可選）：雙方可以隨機(jī)抽取一部分比特，通過公開信道比較測量結(jié)果，以統(tǒng)計(jì)錯(cuò)誤率。如果錯(cuò)誤率低于某個(gè)閾值，則認(rèn)為密鑰是安全的，否則可能存在竊聽或信道錯(cuò)誤，需要重新協(xié)商。發(fā)現(xiàn)竊聽：如果在驗(yàn)證階段發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤率異常偏高，超出了隨機(jī)猜測的范圍，則表明存在竊聽行為。Eve的測量會(huì)擾動(dòng)量子態(tài)，導(dǎo)致Alice和Bob的比對結(jié)果不一致。2.量子中繼器挑戰(zhàn)與研究方向：主要挑戰(zhàn)：*糾纏交換效率低：在節(jié)點(diǎn)間實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的糾纏交換非常困難。*量子存儲壽命短：存儲和轉(zhuǎn)發(fā)量子態(tài)需要足夠長的相干時(shí)間，目前量子存儲器的存儲時(shí)間有限。*噪聲和損耗：量子態(tài)在存儲、傳輸和操作過程中容易受到噪聲和信道損耗的影響，導(dǎo)致信息丟失或錯(cuò)誤。*操作精度要求高：對量子態(tài)的操控（存儲、讀取、轉(zhuǎn)換）需要極高的精度和隔離度。*系統(tǒng)集成復(fù)雜：需要將光源、探測器、存儲器、量子邏輯門等多種復(fù)雜元件集成在一個(gè)小型化、高穩(wěn)定性的設(shè)備中。*標(biāo)準(zhǔn)化和協(xié)議：缺乏統(tǒng)一的接口和操作標(biāo)準(zhǔn)，不同廠商的設(shè)備難以互操作。研究方向/技術(shù)方案：*新型量子存儲器：研發(fā)存儲壽命更長、讀寫速度更快、容量更大的量子存儲器，如基于原子、光子晶體、超導(dǎo)等的新型存儲介質(zhì)。*高效糾纏源和糾纏測量：開