2025年大学《量子信息科学》专业题库- 量子信息传输的安全防护机制

2025年大学《量子信息科学》专业题库——量子信息传输的安全防护机制考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、简述传统密码体制在量子计算攻击下面临的威胁。量子不可克隆定理在保障量子密钥分发安全中起什么作用？二、比较BB84协议和E91协议在密钥生成方式和抗干扰能力方面的主要区别。三、解释什么是量子密钥分发（QKD）的密钥率。影响QKD密钥率的主要因素有哪些？请至少列举三项并简要说明。四、描述在QKD系统中，如果存在窃听者A，合法用户B和E通过比较部分共享密钥来检测A存在窃听的基本过程。五、QKD系统在实际部署中主要面临哪些技术挑战？请选择其中两个挑战，分别说明其具体含义及其对QKD应用的影响。六、简述后量子密码（PQC）技术与QKD技术结合的必要性和可能的应用场景。七、设想一个QKD应用场景，例如银行与分行之间的安全通信。请简述在该场景下，如何综合运用QKD技术和传统加密技术来保障整个通信过程的安全性。试卷答案一、传统密码体制如RSA、AES等依赖大数分解、离散对数等问题的计算难度提供安全。量子计算机利用Shor算法等可以高效解决这些问题，在polynomialtime内破解这些密码体制。威胁在于现有加密信息可能在未来被量子计算机破解。量子不可克隆定理指出，任何对未知量子态的测量都会不可避免地改变该量子态。这一特性可以用于QKD，例如在E91协议中利用纠缠态的测量塌缩效应来探测窃听。二、BB84协议通过在双方预先共享的密钥基础上，各自独立随机选择不同的量子比特测量基（0/1基或+/-基）来编码和测量量子态（0或1），实现了密钥的量子随机性。窃听者无法在不破坏量子态的前提下精确复制或测量其量子态，从而无法获取完整准确的密钥信息。BB84协议的安全性基于信息论。E91协议则利用了量子纠缠的特性。它不依赖于预先共享的密钥，而是通过测量远程纠缠粒子的关联性来生成密钥。其安全性基于量子力学原理，即使窃听者存在，其测量行为也会不可避免地破坏纠缠，从而被合法用户检测到。E91协议理论上具有更强的抗干扰能力，尤其适用于对环境干扰敏感或无法预先共享密钥的场景。三、量子密钥分发（QKD）的密钥率是指单位时间内成功生成并双方确认可用于加密通信的密钥比特数。影响QKD密钥率的主要因素包括：1）传输损耗：光信号在光纤中传输时能量会衰减，导致探测器接收到的信号强度降低，从而降低探测概率和密钥率；2）探测器的效率：探测器的效率即能正确探测到信号的概率。探测器效率越低，误码率越高，需要更多次数的测量比对来确认密钥，从而降低密钥率；3）误码率（BER）：系统设计中必须容忍一定的误码率。为了达到这个目标，需要牺牲一部分原始信号信息进行测量比对和纠错，这会降低可用于生成密钥的有效信号速率，从而影响密钥率。四、在QKD系统（如BB84）中，假设存在窃听者A。合法用户B和E通过比较他们各自测量后的一部分密钥片段来检测A的存在。B和E首先选择一个共同的子集进行比对。如果密钥片段完全一致，则认为系统可能没有窃听者。如果存在差异，则可能存在窃听。更严格的检测方法包括：B和E可以选择一个额外的、不用于生成最终密钥的子集（测试片段）。B和E独立地测量这些测试片段，并将测量结果通过公开信道发送给对方。如果结果一致，则确认没有窃听；如果结果不一致，则表明A在测量B的量子态时引入了扰动，破坏了量子态的编码信息，从而被检测到。五、QKD系统在实际部署中主要面临的挑战包括：1）传输距离限制：光纤传输中的损耗会随着距离增加而显著增大，导致信号衰减严重，降低密钥率，甚至使信号无法被有效探测。目前QKD的实用化距离还受到较大限制；2）环境干扰：光纤线路周围的环境噪声（如电磁干扰、温度变化）可能会影响光信号的传输和探测，降低系统性能，甚至引入错误，使QKD协议无法正常工作。部分环境（如空天地通信）传输介质并非光纤，也面临不同的损耗和干扰问题。这些挑战限制了QKD的大规模、远距离、全天候稳定应用。六、后量子密码（PQC）技术旨在设计能够抵抗量子计算机攻击的公钥密码算法。QKD技术虽然能提供理论上的无条件安全密钥，但其系统实现复杂、成本高、传输距离有限，且密钥率相对较低。在实际应用中，尤其是在密钥协商完成后的大量数据传输阶段，使用密钥进行对称加密（如AES）效率更高、成本更低、实现更简单。因此，将PQC技术与QKD技术结合的必要性在于：可以利用QKD生成高度安全的密钥，再用这个密钥来高效地加密大量数据。这样既能保证密钥分发的安全性（基于量子力学原理），又能利用传统高效加密技术进行数据传输。应用场景包括需要极高安全级别的政府、金融、军事等领域的通信系统。七、在一个银行与分行之间的安全通信场景中，可以综合运用QKD和传统加密技术。首先，银行和分行之间通过QKD系统建立一个安全的量子信道。利用QKD生成一个临时的、高度安全的对称加密密钥（或非对称密钥对）。然后，在这个安全信道上传输这个临时的对称密钥（或交换非对称公钥以建立信任）。建立信任后，后续的