2025年大学《量子信息科学》专业题库- 量子信息传输中的窃密攻击防范

2025年大学《量子信息科学》专业题库——量子信息传输中的窃密攻击防范考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。请将正确选项的代表字母填在题后的括号内。）1.量子密钥分发（QKD）利用了量子力学的哪个基本原理来保障密钥分发的安全性？A.量子叠加B.量子隧穿C.量子不可克隆定理D.量子纠缠2.在BB84协议中，Alice为了向Bob传输密钥，需要准备至少多少种不同的量子态？A.1种B.2种C.3种D.4种3.当Eve试图在QKD信道中窃听，并对传输的量子态进行测量时，根据量子力学原理，必然会导致什么后果？A.量子态的坍缩B.量子态的退相干C.量子态的不可克隆D.量子态的测量盲区4.E91协议利用了哪条贝尔不等式变种来探测窃听者的存在？A.CHSH不等式B.GHZ不等式C.Bell不等式的原始形式D.Peres-Horodecki不等式5.测量设备无关（MDI）QKD协议的主要优势在于？A.可以使用传统的经典光源B.不需要共享经典密钥进行初始同步C.可以实现非常高的传输距离D.免除了对探测器的单光子探测能力要求6.以下哪项攻击属于针对QKD系统中物理设备（如探测器）的侧信道攻击？A.Eve通过窃听量子信道测量量子态B.Eve利用未授权的量子信道窃取密钥C.Eve分析探测器的闪烁时间分布以获取信息D.Eve尝试破解Alice和Bob约定好的经典密钥7.导致QKD系统实际安全距离受限的主要因素之一是？A.量子信道的损耗B.光源的量子态纯度C.系统的误码率（QBER）超过了安全阈值D.以上所有因素8.量子不可克隆定理指出，任何对未知量子态的复制操作都是不可能的，且复制过程不可避免地会改变原始量子态。这一定理对于QKD的安全性意味着什么？A.窃听者无法复制量子态，从而无法完美测量B.量子密钥可以无限期地存储C.量子计算机可以轻易破解QKDD.量子通信不需要任何安全措施9.与传统的基于数学难题的加密相比，基于物理原理的QKD协议的主要安全性来源于？A.密钥的长度B.算法的复杂性C.量子力学的不可克隆原理和贝尔不等式D.用户的密码设置强度10.目前阻碍QKD大规模商用的主要挑战包括？A.成本较高、系统复杂度大B.传输距离有限、易受环境干扰C.理论安全性证明存在争议D.无法与现有经典网络兼容二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填在横线上。）1.在QKD协议中，Alice和Bob通过比较双方记录的__________来产生共享的秘密密钥。2.窃听攻击通常分为集体攻击和非集体攻击，其中集体攻击是指窃听者Eve与Alice和Bob__________地共享量子密钥。3.基于贝尔不等式的QKD协议，如E91，通过测量两个不同测量基下的量子态相关性，来判断是否存在__________。4.为了补偿量子信道中的损耗，通常会采用__________编码技术。5.MDI-QKD协议中，Alice、Bob和Eve分别位于不同的地点，他们之间通过公共的量子信道和__________信道进行信息交互。6.侧信道攻击不直接干扰量子信道传输，而是通过分析QKD系统硬件设备的__________信息来获取密钥。7.量子比特错误率（QBER）是衡量QKD系统性能和__________的重要指标。8.BB84协议的安全性基于对量子态测量后__________的利用。9.量子不可克隆定理表明，无法复制一个未知的量子态，即使复制过程是完美的，也无法在不破坏原始态的情况下获得原始态的精确信息，这保证了窃听者无法__________地复制量子信息。10.除了窃听攻击，针对QKD系统的另一类重要攻击是__________攻击，它利用系统中的不完美性或漏洞来获取信息。三、简答题（每小题5分，共15分。）1.简述量子密钥分发（QKD）的基本思想。2.简要说明E91协议是如何利用贝尔不等式来探测窃听存在的。3.简述测量设备无关（MDI）QKD协议相较于传统QKD协议在防范窃听方面的一个主要优势。四、论述题（每小题10分，共20分。）1.论述量子不可克隆定理在保障量子密钥分发安全方面所起的作用。2.比较MDI-QKD和BB84QKD在系统组成、主要优势以及面临挑战方面的异同。五、分析题（10分。）分析在QKD系统实际运行中，光源质量（如单光子纯度、亮度）对协议安全性和传输距离可能产生哪些影响？请结合相关原理进行说明。试卷答案一、选择题1.C2.D3.A4.A5.B6.C7.D8.A9.C10.A二、填空题1.测量结果2.同时3.窃听4.纠错5.经典6.侧信道7.安全性8.信息随机性9.完美复制10.侧信道三、简答题1.简述量子密钥分发（QKD）的基本思想。QKD的基本思想是利用量子力学的原理（如不可克隆定理、测量导致波函数坍缩等）在量子信道中安全地分发一个共享的随机密钥。Alice通过量子信道向Bob发送一个包含随机比特的量子态（如光子的偏振态或路径），Bob对接收到的量子态进行测量。双方随后通过公开的经典信道比较各自对同一比特的测量结果。由于任何窃听者的测量都会不可避免地干扰量子态，导致Alice和Bob的测量结果出现偏差，他们可以通过比较结果中错误率是否超过预设阈值来发现窃听行为，并选择丢弃已分发的密钥，从而保证密钥分发的安全性。2.简要说明E91协议是如何利用贝尔不等式来探测窃听存在的。E91协议利用了GHZ态和贝尔不等式来探测窃听。Alice和Bob在三个不同的地点，通过公共的量子信道共享一对纠缠光子。Alice和Bob各自随机选择测量基（H或V）对本地光子进行测量，并将测量结果（0或1）以及所选基通过经典信道发送给第三方（或由Alice/Bob自己）进行比对。E91协议构造了一种基于这些测量结果的相关性度量。如果系统是安全的，即不存在窃听者，那么这种相关性必须满足贝尔不等式。如果存在窃听者Eve，即使Eve采用最优的测量策略，也无法完美地模拟Alice和Bob之间的纠缠，导致测量结果的相关性偏离贝尔不等式所允许的范围。通过统计比对结果的相关性，并与贝尔不等式的理论界限进行比较，可以判断是否存在窃听者。3.简述测量设备无关（MDI）QKD协议在防范窃听方面的一个主要优势。MDI-QKD协议的主要优势之一是它将探测窃听的能力从Bob端的测量设备移到了Alice端。在传统的QKD（如BB84）中，需要保证Bob使用的单光子探测器具有极高的单光子探测效率和完美的量子态分辨能力，否则窃听者Eve可以通过伪装成Alice或Bob，利用探测器的漏洞来窃听。而在MDI-QKD中，Alice只需要使用一个探测设备，并通过分析来自Bob的测量结果（或其衍生信息）来推断是否存在窃听。这意味着Alice不需要拥有或信任Bob的高性能单光子探测器，只要Alice的测量设备足够好，就能有效探测到Bob端的窃听行为。这大大降低了对Bob端设备的要求，增强了系统的鲁棒性。四、论述题1.论述量子不可克隆定理在保障量子密钥分发安全方面所起的作用。量子不可克隆定理指出，对于任何未知量子态，都不可能存在一个完美的复制装置，即无法在不破坏原始量子态的情况下精确复制一个未知量子态。这一基本原理是QKD安全性的核心基石。在QKD过程中，Alice通过量子信道发送单光子或其他量子态给Bob。如果存在窃听者Eve，她必须要在量子信道上对接收到的量子态进行测量才能获取信息。然而，根据量子不可克隆定理，Eve的任何测量都会不可避免地改变被测量的量子态。Bob在收到量子态后，会使用与Alice约定的测量基进行测量。如果Eve的测量干扰了量子态，那么Bob的测量结果将与Alice预期的结果产生偏差。通过在事后通过经典信道比较双方的测量结果（例如比较错误率），Alice和Bob可以检测到这种偏差。如果检测到显著的偏差，他们就会认为存在窃听，并放弃该次密钥。因此，量子不可克隆定理保证了任何窃听行为都会在量子层面留下痕迹，使得QKD系统能够在理论上抵御任何完美的窃听攻击，从而保证了密钥分发的安全性。没有量子不可克隆定理，量子态就可能被无痕迹地复制和窃听，QKD的安全基础将不复存在。2.比较MDI-QKD和BB84QKD在系统组成、主要优势以及面临挑战方面的异同。MDI-QKD和BB84QKD都是QKD协议，但系统组成和特性有所不同。系统组成：*BB84QKD：通常由Alice和Bob两端组成，双方各自拥有一个量子态制备设备（光源）和一个单光子探测器。Alice发送量子态给Bob，Bob进行测量，双方通过经典信道进行密钥协商和错误率计算。*MDI-QKD：由Alice、Bob和可能还有一个辅助站（ControlStation）组成。Alice和Bob分别位于不同的地点，他们通过公共的量子信道和共享的经典信道进行通信。关键在于，Alice和Bob的量子态是通过经典信道中的共享纠缠粒子（如EPR对）生成的，而不是各自制备。Alice和Bob各自进行测量，并将测量结果（或其部分信息）发送给辅助站（或自己）进行密钥生成和窃听探测。主要优势：*BB84QKD：系统相对简单（理论上），安全性基于贝尔不等式和不可克隆定理。*MDI-QKD：主要优势在于降低了对接收端（Bob）探测器的性能要求。由于Alice端的测量用于探测Bob端的窃听，只要Alice的探测器足够好，即使Bob的探测器效率较低或存在其他缺陷，也能有效发现窃听，提高了系统的鲁棒性。此外，理论上可以实现比传统QKD更长的传输距离。面临挑战：*BB84QKD：主要挑战在于对Bob端单光子探测器的性能要求极高，需要高效率、高纯度、低噪声且响应时间精确的探测器。此外，量子信道的损耗也是一个限制因素。*MDI-QKD：面临的主要挑战包括：1）需要高质量的纠缠源和精确的量子存储/传输技术来生成和维持跨距离的纠缠；2）经典信道的延迟和带宽限制了协议的速率和稳定性；3）协议的窃听探测分析通常比传统协议更复杂；4）实际实现中，Alice和Bob端的测量设备也可能引入噪声和不确定性，影响安全性。异同总结：两者的核心安全性原理相似（基于量子力学基本原理），但系统架构不同。MDI-QKD通过将探测功能部分转移到Alice端，降低了对接收端设备的要求，具有潜在的长距离优势，但同时也带来了新的技术挑战，如对纠缠源和经典信道的要求更高。五、分析题分析在QKD系统实际运行中，光源质量（如单光子纯度、亮度）对协议安全性和传输距离可能产生哪些影响？请结合相关原理进行说明。光源质量是影响QKD系统性能和安全性的关键因素，主要体现在单光子纯度和亮度两个方面。1.单光子纯度的影响：*对安全性影响：QKD协议（如BB84、E91）依赖于精确的量子态制备和测量。单光子纯度是指光源发射的单光子处于目标量子态（如|0⟩或|1⟩偏振态）的的概率。如果光源纯度不足，意味着除了目标单光子态外，还存在着其他杂散量子态（如双光子、多光子或处于其他偏振态）。当窃听者Eve存在时，她的测量可能会落在这类杂散态上，或者她的测量会不可避免地改变这些杂散态，导致Alice和Bob的测量结果出现错误。低纯度的光源会引入额外的噪声，增加系统的QBER（量子比特错误率）。如果QBER超过了协议允许的安全阈值，或者使得安全距离的计算变得不可靠，那么窃听者就可能成功窃密，或者使得协议无法达到理论上的安全强度。因此，低纯度光源会直接或间接地降低QKD协议的安全性。*对传输距离影响：量子态在光信道中传输时会受到衰减和退相干的影响。低纯度光源发射的杂散态（如处于相同偏振态的双光子）对衰减的敏感度可能与目标单光子态不同。这可能导致不同量子态在信道中的传输特性不一致，使得Bob接收到的量子态不再是清晰的单光子态，进一步增加了测量错误率。此外，杂散态的存在也可能与探测器或其他信道噪声耦合，加剧错误。为了在低纯度光源下维持可接受的安全性和传输距离，可能需要采用更复杂的纠错编码方案，但这会增加计算开销和延迟。因此，光源纯度是限制QKD实际传输距离的一个重要因素。2.光源亮度的影响：*对安全性影响：光源亮度是指单位时间内光源发射的光子数。在QKD中，通常需要使用单光子源。如果光源亮度不足，意味着单位时间内到达Bob探测器的有效单光子数减少，这会导致探测器的计数率降低。为了弥补光子损失，通常需要增加量子信道的传输功率或采用时间门控等技术。然而，过高的传输功率可能会放大信道噪声（