2025年大学《量子信息科学》专业题库- 量子密码技术在量子通信中的应用

2025年大学《量子信息科学》专业题库——量子密码技术在量子通信中的应用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。请将正确选项的字母填在括号内）1.量子密钥分发（QKD）的核心安全性基础源于以下哪个（些）量子力学基本原理？（多选）A.量子态的不可克隆性B.海森堡不确定性原理C.贝尔不等式D.量子不可逆性2.BB84协议中，发送方随机选择使用的量子比特的测量基是？A.仅直角基（|0⟩,|1⟩）B.仅面积基（|+⟩,|-⟩）C.直角基或面积基中的一种，发送方固定不变D.直角基或面积基中的一种，发送方随机选择3.E91协议与BB84协议相比，其主要优势在于？A.提高了密钥生成速率B.不需要使用偏振控制器C.利用贝尔不等式进行安全性验证，理论上可以抵抗集体攻击D.可以在更长的距离上传输4.在量子通信系统中，单光子探测器的作用是？A.产生量子态B.改变量子态的偏振方向C.检测量子信道中传输的单光子D.存储量子态5.量子密钥分发目前面临的主要技术挑战之一是？A.量子计算机的威胁B.传输距离受限C.密钥生成速率不高D.量子中继器的技术瓶颈6.量子安全直接通信（QSDC）与QKD相比，其主要特点在于？A.只传输密钥，不传输明文信息B.可以在存在窃听者的情况下直接传输加密信息C.不需要中继器即可实现广域量子通信D.完全不需要经典通信7.以下哪项技术不属于量子密码技术的范畴？A.量子密钥分发（QKD）B.量子安全直接通信（QSDC）C.基于量子态的数字签名D.后量子密码（PQC）8.导致量子密钥分发传输距离受限的主要因素是？A.光信号衰减B.窃听者难以被探测到C.量子态在信道中退相干D.量子中继器成本过高9.在QKD系统中，前向安全性（ForwardSecrecy）意味着？A.即使密钥分发协议本身被破解，过去通信的内容也无法被解密B.只要密钥生成过程正确执行，生成的密钥就一定是安全的C.系统可以抵御任何类型的窃听攻击D.密钥可以无限期地重复使用10.量子密码技术的主要应用价值在于？A.提高计算机的计算速度B.实现无条件安全的通信C.降低存储数据的成本D.使量子计算机更容易被制造二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填在横线上）1.量子密钥分发协议的安全性依赖于量子力学的基本原理，特别是__________和__________。2.在BB84协议中，发送方需要准备四种不同的量子态，通常使用两个量子比特的__________编码来表示不同的状态。3.为了探测窃听者的存在，QKD协议通常需要执行__________过程，比较发送方和接收方对测量基的认知一致性。4.量子信道通常指能够保持单光子量子态传输的__________或__________。5.目前实现QKD广域网络的主要挑战之一是量子中继器的技术难题，尚未成熟的__________技术是其中的关键瓶颈。6.除了直接威胁经典加密体系，量子密码技术还可以与__________技术相结合，提供更全面的安全保障。7.量子密钥分发的密钥生成速率受限于单光子源的__________、探测器的__________以及协议本身的效率等因素。三、简答题（每小题5分，共15分）1.简述利用海森堡不确定性原理为何能够保证QKD的安全性。2.简述量子不可克隆定理在QKD安全性中的作用。3.简述QKD系统需要克服的主要工程挑战。四、分析题（每小题10分，共20分）1.简要描述BB84协议的密钥生成过程，并说明其中如何通过比较测量基来探测窃听。2.分析量子密钥分发（QKD）相比于经典密钥分发的优势所在，并指出其目前的主要局限性。试卷答案一、选择题1.ABC2.D3.C4.C5.BCD6.B7.D8.AC9.A10.B二、填空题1.不可克隆性，不确定性原理2.偏振3.基底校验4.光纤，自由空间5.量子存储6.后量子密码(PQC)7.亮度，效率三、简答题1.解析思路：根据海森堡不确定性原理，无法同时精确测量一个粒子的两个互补的物理量（如位置和动量，或偏振方向）。在QKD中，窃听者若试图复制传输的单光子，则必然在测量过程中引入扰动，改变光子的偏振态。合法接收方根据公开的协议规则（测量基）进行测量，如果窃听者存在并干扰，接收方测得的量子态分布将偏离理论预测值。通过比较双方公布的测量结果统计量，合法接收方可以检测到这种偏差，从而发现窃听行为。2.解析思路：量子不可克隆定理指出，无法复制一个未知的量子态，任何试图复制未知量子态的操作都会以一定的概率破坏原始量子态。在QKD中，如果窃听者试图在量子信道中拦截并复制单光子，然后将其发送回合法接收方，由于量子不可克隆定理，复制过程本身就会引入可被合法接收方探测到的扰动。这种扰动会改变光子的量子态信息，导致合法收发双方基于测量结果的密钥产生不一致，从而暴露窃听者的存在。3.解析思路：QKD要走向实际应用面临诸多工程挑战。主要包括：单光子源的性能（如亮度、纯度、稳定性）有待提高；单光子探测器的效率需要进一步提升，且噪声要低；量子信道（尤其是光纤）的传输损耗限制了通信距离；大气环境对自由空间传输的影响显著；系统成本较高，部署和维护复杂；需要解决量子中继器的技术难题以实现广域量子通信网络；密钥生成速率目前还无法满足大容量通信的需求。四、分析题1.解析思路：BB84协议的密钥生成过程如下：首先，发送方（S）随机选择测量基（{|0⟩,|1⟩}为直角基，或{|+⟩,|-⟩}为面积基），然后根据所选基制备相应的量子态（|0⟩或|+⟩，|1⟩或|-⟩），并将光子发送通过量子信道。接收方（R）独立随机选择测量基进行测量。双方公开他们的测量基选择结果。最后，双方通过公开信道比较各自选择的测量基。对于使用相同测量基的量子比特对，测量结果用于生成密钥；对于使用不同测量基的量子比特对，结果不作他用。探测窃听的关键在于：发送方和接收方根据他们各自选择的测量基，统计测量结果的量子态分布（如偏振分布）。如果存在窃听者（E），其操作（如测量和复制）会改变光子的偏振态，导致接收方的测量结果分布偏离理论上的理想分布（由量子力学确定）。通过统计检验，合法的收发双方可以比较他们的分布统计量，如果发现显著差异，则判断存在窃听，当前生成的密钥不可用。2.解析思路：QKD相比于经典密钥分发的主要优势在于其安全性。经典密钥分发（如RSA、AES）的安全性依赖于大数分解、离散对数等问题的计算难度，理论上存在被未来足够强大的量子计算机破解的风险（Shor算法）。而QKD利用量子力学的基本原理（如不确定性原理、不可克隆定理）提供安全性，只要协议执行正确，理论上可以抵抗任何计算能力强大的窃听者的攻击，实现无条件安全（UnconditionalSecurit