2025年大學《量子信息科學》專業(yè)題庫——量子信息安全性與加密技術考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的字母填在題后的括號內）1.量子密鑰分發(fā)（QKD）能夠實現(xiàn)信息論安全，其物理基礎主要是（）。A.量子疊加態(tài)B.量子糾纏C.量子不可克隆定理D.量子測量塌縮2.在BB84量子密鑰分發(fā)協(xié)議中，Alice發(fā)送的量子態(tài)由以下哪兩種量子基制備？（）A.|0?和|1?B.|+?=(|0?+|1?)/√2和|-?=(|0?-|1?)/√2C.|0?和|+?D.|1?和|-?3.如果Eve試圖通過測量Alice發(fā)送的量子態(tài)來竊取密鑰，且她不知道Alice使用的測量基，那么她測量得到正確結果（0或1）的概率是（）。A.1/2B.1C.0D.依賴于Alice使用的具體基4.Shor算法的發(fā)現(xiàn)對現(xiàn)有哪種經(jīng)典的公鑰密碼體系構成了嚴峻威脅？（）A.DESB.AESC.RSAD.ECC5.量子安全直接加密（QSDS）理論上能夠抵抗所有計算能力的攻擊，其主要依據(jù)是（）。A.利用量子不可克隆定理B.量子糾纏的不可克隆性C.協(xié)議本身基于信息論安全D.基于Shor算法的安全性6.在量子密鑰分發(fā)過程中，若量子信道存在噪聲或干擾，通常采用哪種方法來提高密鑰質量和安全性？（）A.增加量子比特數(shù)B.使用經(jīng)典糾錯碼C.增加測量次數(shù)D.以上都是7.以下哪種技術被認為是實現(xiàn)遠距離量子通信的關鍵環(huán)節(jié)之一？（）A.量子存儲器B.量子中繼器C.量子糾纏分發(fā)D.高速經(jīng)典光網(wǎng)絡8.側信道攻擊是一種針對量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的常見攻擊方式，它主要利用了什么信息？（）A.量子態(tài)的測量結果B.發(fā)送和接收設備之間的時間延遲C.發(fā)送和接收設備之間的距離D.Alice和Bob之間協(xié)商的密鑰9.E91協(xié)議相比BB84協(xié)議的主要優(yōu)勢在于它能夠（）。A.提高密鑰生成速率B.在無需預設共享密鑰的情況下進行安全性驗證C.更容易實現(xiàn)D.能夠抵抗所有側信道攻擊10.目前商用的QKD系統(tǒng)多基于光纖傳輸，其主要限制因素之一是（）。A.量子源的性能B.量子測量設備的精度C.光纖的損耗和退相干效應D.以上都是二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在題中的橫線上）1.量子密鑰分發(fā)協(xié)議BB84的安全性基于量子力學的基本原理，特別是______和測量坍縮特性。2.在量子密碼學中，Shor算法的運行能力威脅到了基于大數(shù)分解困難假設的經(jīng)典公鑰密碼系統(tǒng)，如______。3.量子安全直接加密（QSDS）的目標是實現(xiàn)信息論安全的加密，即密文本身泄露了任何關于明文的信息，這通常需要基于______安全。4.為了補償量子信道中的損耗，量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)通常需要使用______技術來增強信號。5.除了理論上的安全，評估一個量子密鑰分發(fā)協(xié)議時，還需要考慮其實際性能指標，如密鑰______、傳輸距離和系統(tǒng)______。6.量子不可克隆定理指出，任何對未知量子態(tài)的______操作都無法精確復制該量子態(tài)，這一特性是許多量子密碼協(xié)議的安全基石。7.竊聽者攻擊（EveAttack）是分析量子密鑰分發(fā)協(xié)議安全性的重要方法之一，通過模擬竊聽者的各種攻擊策略來評估協(xié)議的______。8.實現(xiàn)量子安全直接加密目前面臨的主要挑戰(zhàn)包括技術上的______和成本上的______。9.量子密鑰分發(fā)的核心思想是利用量子力學原理來保證密鑰分發(fā)的______。10.基于______的量子密鑰分發(fā)協(xié)議（如E91）能夠檢測到竊聽者的存在，并保證密鑰分發(fā)的安全性。三、簡答題（每題5分，共15分。請簡潔明了地回答下列問題）1.簡述量子密鑰分發(fā)（QKD）的基本原理及其如何實現(xiàn)信息論安全。2.簡要說明量子不可克隆定理在量子密碼學中的重要性。3.簡述對稱密碼體制和非對稱密碼體制在經(jīng)典計算模型下的基本工作方式及其安全性假設。四、論述題（每題10分，共20分。請結合所學知識，深入分析和闡述下列問題）1.分析量子密鑰分發(fā)（QKD）協(xié)議在實際應用中可能面臨的主要挑戰(zhàn)，并探討相應的解決方案。2.試比較量子密鑰分發(fā)（QKD）和量子安全直接加密（QSDS）的原理、優(yōu)勢和局限性。---試卷答案一、選擇題1.C2.B3.A4.C5.C6.D7.B8.B9.B10.C二、填空題1.量子不可克隆定理2.RSA3.量子力學基礎4.量子中繼5.效率；穩(wěn)定性6.測量7.可靠性8.復雜度；高9.安全性10.量子糾纏三、簡答題1.解析思路：QKD利用量子力學原理（主要是量子不可克隆定理和測量塌縮特性）來保證密鑰分發(fā)的安全性。在BB84等協(xié)議中，發(fā)送方（Alice）使用隨機選擇的量子基制備量子態(tài)并發(fā)送，接收方（Bob）進行隨機測量。由于測量會塌縮量子態(tài)，且竊聽者（Eve）無法精確復制未知量子態(tài)，Eve的測量結果與Alice的制備基不一致的概率很高。通過比較雙方使用的基以及公開討論測量結果，他們可以篩選出基匹配的測量比特，從而生成共享的隨機密鑰。任何竊聽行為都會引入錯誤，使得Bob通過糾錯和隱私放大等步驟檢測到Eve的存在，從而保證密鑰的安全性。其安全性是信息論安全的，即即使擁有無限計算能力，竊聽者也無法獲得任何關于密鑰的信息。2.解析思路：量子不可克隆定理指出，對于任意未知量子態(tài)，無法存在一個量子操作，使得輸出的兩個量子態(tài)之一與輸入的原始量子態(tài)完全相同（即|ψ?→|ψ?+|ψ?'，且|ψ?'⊥|ψ?）。這意味著無法精確復制一個未知的量子信息。在量子密碼學中，這一特性是QKD協(xié)議安全的基礎。例如，在BB84協(xié)議中，如果Eve試圖測量Alice發(fā)送的量子態(tài)來獲取信息，由于無法精確復制該態(tài)，她的測量必然會改變原始態(tài)，或者如果她嘗試復制后再測量，復制出的態(tài)與原始態(tài)會有統(tǒng)計上的差異。這種復制上的限制使得任何竊聽行為都會不可避免地留下痕跡，從而可以被合法用戶檢測到，保證了密鑰分發(fā)的安全性。3.解析思路：對稱密碼體制使用同一個密鑰進行加密和解密。工作方式通常是明文與密鑰經(jīng)過特定算法運算生成密文，接收方使用相同的密鑰和算法對密文進行運算得到明文。其安全性主要依賴于密鑰的保密性，即密鑰需要足夠長且難以被猜測或破解。常見的對稱算法有DES、AES等。安全性假設是密鑰只有合法用戶知道，且破解密文在計算上是不可行的（例如，暴力破解需要嘗試所有可能的密鑰）。非對稱密碼體制使用一對密鑰：公鑰和私鑰。公鑰可以公開分發(fā)，用于加密信息或驗證數(shù)字簽名；私鑰由所有者保管，用于解密信息或生成數(shù)字簽名。其工作方式是，用公鑰加密的密文只能用對應的私鑰解密，用私鑰簽名的信息只能用對應的公鑰驗證。安全性假設基于某些數(shù)學問題的困難性，如大整數(shù)分解困難（RSA）或離散對數(shù)困難（ECC）。例如，RSA的安全性假設是分解一個足夠大的大整數(shù)在計算上是不可能的。四、論述題1.解析思路：QKD在實際應用中面臨的主要挑戰(zhàn)及解決方案分析如下：*挑戰(zhàn)1：傳輸距離限制。光纖損耗會隨著距離增加而顯著增大，導致量子態(tài)衰減，錯誤率升高，密鑰生成速率急劇下降。解決方案：使用量子中繼器；采用低損耗光纖或自由空間傳輸（如衛(wèi)星鏈路）；改進量子存儲和邏輯門技術；研究抗損耗的量子態(tài)（如高激發(fā)態(tài)光子）。*挑戰(zhàn)2：系統(tǒng)復雜度和成本?，F(xiàn)代QKD系統(tǒng)需要精密的量子光源、單光子探測器、高速隨機數(shù)發(fā)生器等，設備復雜且成本高昂。解決方案：開發(fā)更實用、成本更低的量子光源（如自發(fā)布居中心）和探測器；簡化系統(tǒng)設計；尋求商業(yè)化驅動降低成本。*挑戰(zhàn)3：安全性威脅（側信道攻擊）。竊聽者可能通過測量設備狀態(tài)、功耗、時間延遲等側信道信息來攻擊QKD系統(tǒng)。解決方案：采用抗側信道攻擊的QKD協(xié)議（如E91）；增強物理層安全設計；實施嚴格的系統(tǒng)安全管理和環(huán)境監(jiān)控。*挑戰(zhàn)4：與現(xiàn)有網(wǎng)絡的兼容性。QKD需要與現(xiàn)有的經(jīng)典通信網(wǎng)絡集成。解決方案：開發(fā)混合QKD系統(tǒng)，可以在光纖中傳輸量子信號，同時利用經(jīng)典信道進行控制和同步；研究基于無線（如自由空間）傳輸?shù)腝KD方案。*挑戰(zhàn)5：標準化和互操作性。缺乏統(tǒng)一的國際標準導致不同廠商設備之間難以互聯(lián)互通。解決方案：推動國際標準化組織（如ETSIQKD）制定和推廣QKD標準；促進產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)作。2.解析思路：QKD和QSDS的比較分析如下：*原理：*QKD：主要利用量子力學原理（特別是量子不可克隆定理和測量塌縮）來保證密鑰分發(fā)的安全性。它不直接加密信息，而是生成一個共享的隨機密鑰，然后用這個密鑰通過經(jīng)典加密算法（如AES）來加密實際的信息。其核心是“認證密鑰”。*QSDS：目標是實現(xiàn)理論上信息論安全的直接加密，即密文本身就能保證信息的機密性，即使被竊聽者截獲，也無法從中獲取任何關于明文的信息，無需事先共享密鑰。它通常基于量子態(tài)的操作和量子協(xié)議來實現(xiàn)，可能利用量子糾纏或量子隱藏變量等資源。*優(yōu)勢：*QKD優(yōu)勢：安全性高（信息論安全）；技術相對成熟，已有部分商用系統(tǒng)；可以與現(xiàn)有經(jīng)典網(wǎng)絡基礎設施結合（需光纖或自由空間鏈路）；可以同時提供密鑰分發(fā)和身份認證功能。*QSDS優(yōu)勢：理論上提供更強的加密保證（密文本身安全）；可能在未來實現(xiàn)無需預先建立安全信道就能進行加密；概念上更直接。*局限性：*QKD局限：傳輸距離受限于光纖損耗（當前主流系統(tǒng)距離較近）；系統(tǒng)復雜度和成本較高；易受側信道攻擊（需加強防護）；需要經(jīng)典信道輔助。