2025年大学《量子信息科学》专业题库- 量子信息网络建设

2025年大学《量子信息科学》专业题库——量子信息网络建设考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题1.量子密钥分发（QKD）利用量子力学的哪个基本原理来保证密钥传输的安全性？A.能量守恒定律B.不可克隆定理C.观测者效应D.测不准原理2.在量子信息网络中，量子中继器的主要作用是？A.增强信号强度B.存储和转发量子态C.实现量子加密D.检测量子噪声3.以下哪种器件是量子通信中实现单光子量子比特检测的关键？A.光放大器B.单光子探测器C.量子存储器D.量子纠缠发生器4.量子信息网络与经典信息网络的根本区别在于传输信息的物理载体是？A.光纤vs电线B.量子比特vs比特C.卫星vs地面站D.微波vs光波5.导致长距离量子密钥分发性能下降的主要技术瓶颈是？A.量子存储技术不成熟B.量子中继器成本过高C.光子损失和噪声累积D.量子测量效率低6.以下哪项不是量子信息网络面临的挑战？A.量子比特的退相干B.缺乏成熟的量子存储技术C.经典计算能力的持续提升D.量子中继器的复杂性和稳定性7.在量子网络中，实现量子路由的潜在方法包括？A.基于经典路由算法B.基于量子态重构或存储C.仅依赖量子密钥分发D.仅使用量子纠缠交换8.BB84量子密钥分发协议中，密钥的安全性依赖于？A.非对称加密算法B.对信息量子态的测量方式选择C.公钥基础设施（PKI）D.计算机计算能力的强大9.以下哪种物理系统常被研究用于构建量子信息网络节点？A.固体材料（如NV色心）B.光子晶体C.电磁超材料D.以上都是10.量子信息网络未来可能的应用场景不包括？A.安全通信B.分布式量子计算C.实时量子传感D.取代所有经典互联网二、填空题1.量子密钥分发（QKD）的核心思想是利用量子力学的__________和__________来保证密钥的安全性。2.量子中继器需要解决的关键技术问题包括量子态的__________和__________。3.为了实现可靠的量子比特传输，单光子源需要具备高__________、高__________和良好的时间/频率特性。4.量子信息网络中，不同节点之间的量子连接通常基于量子态的__________来实现。5.目前，实现百公里级以上量子密钥分发的主要技术挑战是__________和__________。6.量子网络的路由协议需要考虑量子态的__________和__________特性。7.除了QKD，量子信息网络还可以支持__________等量子信息的传输。三、名词解释1.退相干(Decoherence)2.量子纠缠(QuantumEntanglement)3.量子存储(QuantumMemory)4.量子中继器(QuantumRepeater)四、简答题1.简述BB84量子密钥分发协议的基本原理及其安全性保障。2.与经典中继器相比，量子中继器面临的主要技术挑战是什么？3.解释什么是单光子源，并说明其在量子信息网络中的重要性。4.简述量子信息网络可能存在的应用场景及其优势。五、论述题1.分析影响量子密钥分发（QKD）系统性能的关键因素，并提出相应的技术改进方向。2.探讨实现长距离、大规模量子信息网络所面临的主要科学和工程挑战，并简述可能的解决方案或研究方向。试卷答案一、选择题1.B2.B3.B4.B5.C6.C7.B8.B9.D10.D二、填空题1.不可克隆定理，测量塌缩2.存储和传输，保持保真度3.亮度，纯度4.分发与收集(或纠缠交换)5.光子损失，噪声放大6.漂移，衰减7.分布式量子计算三、名词解释1.退相干：指量子系统与外界环境发生相互作用，导致量子态的相干性（如叠加态和纠缠）丧失，表现为量子叠加态向经典概率幅退化的过程。2.量子纠缠：指两个或多个量子粒子之间存在的一种特殊关联，即使它们相隔遥远，测量其中一个粒子的状态会瞬时影响到另一个粒子的状态，这种关联无法用经典物理现象解释。3.量子存储：指将量子态（如纠缠态、特定偏振态的单光子）在一定的时空中进行保存，并在需要时能够准确恢复的技术，是构建长距离量子信息网络的关键环节。4.量子中继器：一种用于扩展量子信道距离的设备，它能够接收、存储、处理（如重新定时、补偿错误）并转发量子信息（通常是纠缠对或量子态），以克服光子损失和噪声对长距离量子通信的限制。四、简答题1.BB84协议利用两种不同的量子基（例如基1：|0⟩,|1⟩和基2：|+⟩,|-⟩）来编码信息。发送方随机选择基进行编码和发送，接收方随机选择基进行测量。双方事后公开比较使用的基，仅保留在相同基上测量的结果作为密钥。安全性基于量子力学原理：任何窃听者无法在不破坏原始量子态的情况下复制量子信息，因此无法确定发送方使用的基，导致其测量结果与接收方不一致，从而被检测出来。2.量子中继器面临的主要挑战包括：如何高效、低损耗地存储和重新发布输入的量子态（单光子或纠缠对）；如何保持量子态在存储和转发过程中的高保真度，减少退相干和错误；如何实现可靠的量子纠错单元；如何集成光源、探测器、存储器、逻辑门等多种复杂元件，并保证系统的稳定性和小型化。3.单光子源是指能够以高概率产生并稳定输出单个光子的设备。在量子信息网络中，它是生成量子比特（qubit）的关键，而单光子作为信息载体，是实现量子密钥分发（QKD）、量子隐形传态和未来量子互联网通信的基础。其重要性在于，产生的单光子的高纯度、高亮度、窄谱宽和良好的时间特性直接决定了量子信息处理的性能和距离。4.量子信息网络可能的应用场景包括：提供无条件安全的量子密钥分发，用于加密经典或量子通信；支持分布式量子计算，将量子计算资源分布在不同节点，实现远超单机的计算能力；构建量子传感网络，利用量子增强效应提高测量精度，用于导航、环境监测等；实现量子互联网，允许在多个用户之间安全地传输量子态，进行更复杂的量子信息处理。五、论述题1.影响QKD系统性能的关键因素包括：光源性能（单光子纯度、亮度、时间稳定性）、探测器的效率和时间分辨率、光纤或自由空间信道的损耗和噪声（包括散相噪声和幅度噪声）、环境干扰（温度波动、电磁干扰）、系统复杂度和成本。技术改进方向可能包括：开发更高性能的单光子源和探测器；研究低损耗、低噪声的量子传输介质（如特殊光纤、自由空间传输优化）；发展更强大的量子存储和纠错技术以补偿信道损伤；设计更简洁、可靠的量子中继器；优化QKD协议以在更恶劣的环境下工作或提高密钥生成率。2.实现长距离、大规模量子信息网络面临的主要挑战有：光子传输损耗巨大，导致信号强度急剧下降，限制了传输距离；信道噪声（包括固有噪声和环境噪声）会破坏量子态信息，降低传输保真度；缺乏成熟、可靠、低成本的量子中继器技术，无法有效延长链路；量子态的退相干非常快，对存储和处理的时效性要求极高；量子网络节点的集成和标准化难度大，需要将光源、探测器、存储器、纠缠发生器、量子逻辑门等多种功能集成到小型化、高稳定性的设备中；量子测量的随机性和不确定性给网络控制和协议设计带来独特挑战。可能的解决方案或研究方