2025年大學(xué)《量子信息科學(xué)》專業(yè)題庫——量子信息技術(shù)在加密領(lǐng)域的應(yīng)用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請將正確選項的代表字母填在題后的括號內(nèi)）1.量子密鑰分發(fā)（QKD）利用了量子力學(xué)中的哪個基本原理來保證密鑰分發(fā)的安全性？A.量子疊加B.量子糾纏C.不可克隆定理D.愛因斯坦-波多爾斯基-羅森悖論2.在BB84量子密鑰分發(fā)協(xié)議中，密鑰的安全性主要依賴于對量子態(tài)進(jìn)行測量時必須遵守的哪個基本法則？A.測量坍縮B.波粒二象性C.不確定性原理D.物理定律的確定性3.Shor算法能夠有效分解大整數(shù)，從而破解RSA等公鑰密碼系統(tǒng)，它利用了量子計算機在執(zhí)行哪種數(shù)學(xué)問題上相對于經(jīng)典計算機的巨大優(yōu)勢？A.大數(shù)乘法B.大數(shù)分解C.哈希函數(shù)計算D.矩陣求逆4.以下哪項技術(shù)被認(rèn)為是當(dāng)前實現(xiàn)量子密鑰分發(fā)（QKD）的主要物理手段？A.量子存儲B.量子隨機數(shù)生成C.單光子源D.量子退火5.后量子密碼（PQC）研究的目的是什么？A.實現(xiàn)量子密鑰分發(fā)B.替代量子計算器C.設(shè)計出能夠抵抗量子計算機攻擊的加密算法D.提高經(jīng)典加密算法的傳輸速率6.量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中的光源需要滿足的關(guān)鍵特性是能夠發(fā)射什么樣的光子態(tài)？A.熱態(tài)光子B.任意態(tài)光子C.單個光子D.連續(xù)波光子7.量子安全直接通信（QSDC）與QKD的主要區(qū)別在于？A.不需要密鑰B.直接傳輸加密信息C.利用量子糾纏進(jìn)行通信D.不受量子計算機威脅8.量子不可克隆定理意味著什么？A.量子態(tài)無法被精確復(fù)制B.量子信息無法被測量C.量子計算機無法破解密碼D.量子通信無法實現(xiàn)二、填空題（請將答案填寫在橫線上）9.________是目前應(yīng)用最廣泛的量子密鑰分發(fā)協(xié)議之一，它利用了不同偏振態(tài)量子光的測量結(jié)果來產(chǎn)生密鑰。10.量子計算機之所以能威脅現(xiàn)有加密體系，關(guān)鍵在于它能夠高效地執(zhí)行________算法。11.為了克服量子態(tài)在光纖中傳輸時的損耗和退相干問題，研究人員正在探索多種方案，例如________和量子中繼器技術(shù)。12.后量子密碼學(xué)研究的兩大主要方向是________密碼和編碼密碼。13.即使QKD信道存在竊聽者，只要竊聽者試圖測量量子態(tài)，就會不可避免地引起量子態(tài)的________，從而被合法用戶察覺。14.基于________問題的難解性，許多PQC方案（如格密碼）得以構(gòu)建。三、簡答題15.請簡述量子密鑰分發(fā)（QKD）的基本原理，并說明其安全性是如何體現(xiàn)的。16.與經(jīng)典加密相比，量子加密（包括QKD和PQC）有哪些主要的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)？17.簡要解釋量子不可克隆定理的內(nèi)容及其在量子密鑰分發(fā)中的重要性。18.描述量子計算對RSA和ECC等公鑰密碼系統(tǒng)的威脅原理。四、論述題19.論述量子密鑰分發(fā)（QKD）在實際應(yīng)用中面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)，并探討可能的解決方案。20.隨著量子計算技術(shù)的發(fā)展，你認(rèn)為后量子密碼（PQC）將如何影響未來的信息安全體系？請闡述你的觀點。試卷答案一、選擇題1.C*解析思路：QKD的安全性根植于量子力學(xué)的基本原理。不可克隆定理指出，任何未知量子態(tài)都無法被精確復(fù)制。在QKD中，如果竊聽者A試圖在量子信道上復(fù)制并發(fā)送量子態(tài)，必然會引起原始量子態(tài)的擾動，這種擾動會被用戶B通過比較測量結(jié)果所檢測到。2.A*解析思路：量子測量的一個基本特性是，測量一個量子態(tài)會使其從多種可能的狀態(tài)中坍縮到一個確定的狀態(tài)。在BB84協(xié)議中，合法用戶A使用隨機選擇的基進(jìn)行測量，竊聽者B如果不知道所用基，隨機測量也可能得到錯誤的結(jié)果，導(dǎo)致密鑰錯誤率升高。3.B*解析思路：Shor算法是一種量子算法，它能夠在多項式時間內(nèi)分解大整數(shù)，而目前已知的最快經(jīng)典算法（如AKS算法）需要指數(shù)時間。RSA密碼系統(tǒng)正是基于大數(shù)分解的困難性，Shor算法的突破意味著RSA等基于大數(shù)分解的公鑰體系將不再安全。4.C*解析思路：QKD系統(tǒng)需要高純度的單光子源來發(fā)射攜帶量子信息的單個光子，這是實現(xiàn)基于量子態(tài)測量差異的安全密鑰分發(fā)的物理基礎(chǔ)。其他選項雖然也是量子技術(shù)相關(guān)，但不是QKD實現(xiàn)的關(guān)鍵物理手段。5.C*解析思路：隨著量子計算能力的提升，許多目前廣泛使用的公鑰密碼系統(tǒng)（如RSA、ECC）將面臨被破解的風(fēng)險。后量子密碼學(xué)的研究目標(biāo)就是開發(fā)出能夠抵抗量子計算機攻擊的新型加密算法，確保信息安全在“后量子時代”得以延續(xù)。6.C*解析思路：QKD協(xié)議（如BB84）依賴于量子比特（如單光子）的狀態(tài)。為了確保密鑰分發(fā)的安全性，光源必須能夠穩(wěn)定地發(fā)射單個光子（單光子），并且光子的偏振等量子態(tài)參數(shù)需要可控和穩(wěn)定。7.B*解析思路：QKD的主要功能是分發(fā)密鑰，通信內(nèi)容本身需要使用這個密鑰進(jìn)行加密（通常結(jié)合經(jīng)典加密算法）。QSDC則旨在實現(xiàn)直接傳輸加密后的信息，利用量子力學(xué)原理來保證通信內(nèi)容的安全性，無需預(yù)先分發(fā)密鑰。8.A*解析思路：量子不可克隆定理指出，對于任何未知量子態(tài)，無法存在一個量子操作，使得輸入一個未知量子態(tài)后，能夠產(chǎn)生兩個完全相同的量子態(tài)。這意味著精確復(fù)制一個未知的量子信息是絕對不可能的，這是QKD安全性的重要物理基礎(chǔ)。二、填空題9.BB84*解析思路：BB84（BennettandBrassard1984）是最早提出并被廣泛研究和應(yīng)用的QKD協(xié)議，它利用量子比特在不同偏振基下的測量結(jié)果來秘密共享密鑰。10.Shor*解析思路：Shor算法是量子計算領(lǐng)域的里程碑式算法，它能夠高效地分解大整數(shù)，從而破解基于大數(shù)分解難題的公鑰密碼系統(tǒng)，對現(xiàn)有信息安全構(gòu)成根本性威脅。11.量子存儲*解析思路：光纖傳輸距離有限，且量子態(tài)（特別是單光子）在傳輸中會因損耗和與其他環(huán)境的相互作用而發(fā)生退相干。量子存儲技術(shù)能夠暫時保存量子態(tài)，使得在光子到達(dá)目的地前，可以對其進(jìn)行處理、重組或等待，是克服傳輸限制的重要途徑。12.格密碼/哈希簽名/編碼密碼*解析思路：NISTPQC標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程中，主要有三大類方案被選中，包括基于格問題的格密碼（如Lattice-based）、基于哈希問題的哈希簽名/認(rèn)證方案（如Hash-based）和基于編碼問題的編碼密碼（如Code-based）。13.退相干/破壞性測量*解析思路：根據(jù)量子測量理論，測量一個量子系統(tǒng)會不可避免地改變該系統(tǒng)的狀態(tài)。對于QKD中的量子態(tài)，任何未授權(quán)的測量（竊聽行為）都會引入擾動，導(dǎo)致量子態(tài)的退相干或狀態(tài)發(fā)生改變，這種改變可以被合法用戶檢測出來。14.離散對數(shù)/格/哈希/編碼*解析思路：許多PQC方案的安全性是基于某些計算難題的難解性。這些難題包括經(jīng)典的離散對數(shù)問題（DLP，如ECC）、格問題（Lattice）、哈希問題（Hash）以及編碼問題（Code）。NIST選定的PQC標(biāo)準(zhǔn)都基于這些被認(rèn)為在量子計算機面前難以破解的難題。三、簡答題15.請簡述量子密鑰分發(fā)（QKD）的基本原理，并說明其安全性是如何體現(xiàn)的。*解析思路：QKD的基本原理是利用量子力學(xué)的基本規(guī)律（主要是測量的波粒二象性和不確定性原理，以及不可克隆定理）來保證密鑰分發(fā)的安全性。通常采用單光子源發(fā)射量子比特（如光子偏振態(tài)），合法用戶和潛在竊聽者使用不同的、預(yù)先商定的基進(jìn)行測量。由于測量結(jié)果與所用基相關(guān)，且量子態(tài)的測量會塌縮，竊聽者無法在不破壞量子態(tài)的前提下精確復(fù)制或觀測所有傳輸?shù)牧孔颖忍亍：戏ㄓ脩艨梢酝ㄟ^比較各自的部分測量結(jié)果（公開討論或通過經(jīng)典信道傳輸），檢測是否存在竊聽行為，并僅保留一致的測量結(jié)果作為共享密鑰。安全性體現(xiàn)在竊聽行為必然引入擾動，導(dǎo)致合法用戶之間密鑰錯誤率升高。16.與經(jīng)典加密相比，量子加密（包括QKD和PQC）有哪些主要的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)？*解析思路：優(yōu)勢：1.QKD的安全性理論上是無條件安全的：基于量子力學(xué)原理，任何竊聽行為都會被探測到。2.PQC旨在抵抗量子計算機攻擊：為未來信息社會提供長期安全的加密保障。*挑戰(zhàn)：1.QKD技術(shù)成熟度與成本：目前QKD系統(tǒng)成本高昂，傳輸距離有限，易受環(huán)境干擾，穩(wěn)定性有待提高。2.PQC標(biāo)準(zhǔn)化與部署：PQC算法仍在發(fā)展中，其長期安全性有待實踐檢驗，將現(xiàn)有系統(tǒng)遷移到PQC平臺存在挑戰(zhàn)。3.量子計算的威脅仍是未來預(yù)期：通用量子計算機的研制進(jìn)度存在不確定性。17.簡要解釋量子不可克隆定理的內(nèi)容及其在量子密鑰分發(fā)中的重要性。*解析思路：量子不可克隆定理指出，對于任何未知量子態(tài)，無法復(fù)制出與原態(tài)完全相同的另一個量子態(tài)。任何嘗試復(fù)制未知量子態(tài)的操作，都會不可避免地改變原始量子態(tài)。在QKD中，該定理保證了如果竊聽者A試圖在量子信道上攔截并復(fù)制密鑰比特（量子態(tài)），這個過程本身就必然會引入微小的擾動。合法用戶B在接收端可以通過測量和比對（例如使用部分信息公開討論或經(jīng)典信道反饋），檢測到這種由竊聽引起的擾動，從而判斷信道是否安全，并丟棄被擾動的密鑰部分，確保最終分發(fā)的密鑰是安全的。這是QKD抵抗竊聽攻擊的核心物理基礎(chǔ)。18.描述量子計算對RSA和ECC等公鑰密碼系統(tǒng)的威脅原理。*解析思路：RSA和ECC等公鑰密碼系統(tǒng)依賴于某些數(shù)學(xué)問題的計算難度作為其安全性基石。例如，RSA基于“大整數(shù)分解為質(zhì)因數(shù)的難度”，ECC基于“橢圓曲線上離散對數(shù)問題的難度”。Shor算法是一種量子算法，它能夠?qū)⒋笳麛?shù)分解問題或離散對數(shù)問題在量子計算機上高效地求解（相對于經(jīng)典算法，其時間復(fù)雜度從指數(shù)級降低到多項式級）。這意味著，一旦足夠強大的通用量子計算機問世，它就可以在合理時間內(nèi)分解RSA所使用的大整數(shù)，或者求解ECC問題，從而輕易破解當(dāng)前廣泛應(yīng)用的RSA和ECC加密及簽名系統(tǒng)，對現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)安全體系構(gòu)成嚴(yán)重威脅。四、論述題19.論述量子密鑰分發(fā)（QKD）在實際應(yīng)用中面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)，并探討可能的解決方案。*解析思路：QKD在實際應(yīng)用中面臨的主要挑戰(zhàn)包括：1.傳輸距離限制：光子在光纖中傳輸時會發(fā)生損耗和退相干，目前QKD系統(tǒng)的實用傳輸距離還遠(yuǎn)低于現(xiàn)有經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)。解決方案：采用量子中繼器技術(shù)來延長傳輸距離；研究使用自由空間傳輸（如衛(wèi)星）克服光纖損耗。2.光源和探測器性能：需要高純度的單光子源和高效、低噪聲的單光子探測器，這些設(shè)備目前成本高昂且性能有待提升。解決方案：開發(fā)更穩(wěn)定、更廉價、更高效率的光源和探測器；研究使用多光子源或更高階QKD協(xié)議。3.系統(tǒng)復(fù)雜性和穩(wěn)定性：QKD系統(tǒng)比經(jīng)典加密系統(tǒng)更復(fù)雜，對環(huán)境噪聲（如電磁干擾、溫度波動）更敏感，穩(wěn)定性有待提高。解決方案：優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計，提高抗干擾能力；發(fā)展更魯棒的QKD協(xié)議；進(jìn)行系統(tǒng)集成和工程化。4.成本問題：目前QKD設(shè)備的成本遠(yuǎn)高于經(jīng)典設(shè)備，阻礙了大規(guī)模商用。解決方案：通過技術(shù)進(jìn)步降低成本；發(fā)展分置式QKD等降低初期投入的方案；結(jié)合經(jīng)典加密和QKD的優(yōu)勢。5.安全性認(rèn)證與密鑰管理：如何有效認(rèn)證QKD系統(tǒng)的安全性，以及如何高效、安全地管理通過QKD分發(fā)的密鑰。解決方案：開發(fā)自動化安全性監(jiān)測和認(rèn)證工具；研究安全的密鑰分發(fā)和協(xié)商協(xié)議。*綜上，克服這些挑戰(zhàn)需要材料、器件、算法、系統(tǒng)工程等多個方面的持續(xù)研究和創(chuàng)新。20.隨著量子計算技術(shù)的發(fā)展，你認(rèn)為后量子密碼（PQC）將如何影響未來的信息安全體系？請闡述你的觀點。*解析思路：隨著量子計算技術(shù)的發(fā)展（特別是通用量子計算機的潛在實現(xiàn)），后量子密碼（PQC）將對未來的信息安全體系產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響：1.替代現(xiàn)有公鑰體系：如果量子計算機按預(yù)期發(fā)展，目前基于大數(shù)分解和離散對數(shù)問題的RSA、ECC等公鑰密碼系統(tǒng)將失效。PQC算法將作為替代方案，用于加密、數(shù)字簽名、密鑰交換等核心安全應(yīng)用，確保信息在量子時代依然安全。2.推動安全體系的全面升級：PQC的引入不僅僅是更換加密算法，它可能需要對現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、安全協(xié)議、應(yīng)用軟件等進(jìn)行大規(guī)模的升級或重寫，涉及成本巨大，將是未來信息安全領(lǐng)域的一項重大工程。3.促進(jìn)密碼學(xué)研究：PQC的研究過程本身就是對密碼學(xué)理論和技術(shù)的一次大推動，促進(jìn)