2025年大学《量子信息科学》专业题库- 量子信息科学对通信技术的发展影响

2025年大学《量子信息科学》专业题库——量子信息科学对通信技术的发展影响考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（请将正确选项的代表字母填在题后的括号内。每小题2分，共20分）1.量子比特（qubit）与经典比特的主要区别在于其能够利用量子力学的（）来实现信息存储。A.测量不确定性B.波粒二象性C.叠加性D.确定性2.量子密钥分发（QKD）的核心安全性基础源于量子力学中的（）。A.中心极限定理B.量子不可克隆定理C.海森堡不确定性原理D.爱因斯坦相对论3.在BB84量子密钥分发协议中，用于在密钥生成阶段进行随机选择的是（）。A.量子态的偏振基B.经典随机数生成器C.量子纠缠对D.密钥存储单元4.量子隐形传态的主要作用是（）。A.在经典信道上高速传输量子比特B.在量子信道上传输经典信息C.将一个未知量子态从一个地点传输到另一个地点，同时本地进行测量D.克隆一个未知量子态5.量子通信目前面临的主要技术瓶颈之一是（）。A.量子计算机的算力不足B.量子比特的相干时间太长C.单光子源的亮度不够高D.量子协议过于复杂6.能够探测单个光子到达的探测器属于（）。A.光功率计B.雪崩光电二极管（APD）C.单光子探测器（SPD）D.光纤放大器7.量子存储器在量子通信网络中的作用主要是（）。A.增强信号强度B.存储经典密钥C.延迟量子态信息，实现量子中继D.提高量子比特稳定性8.量子卫星（如“墨子号”）主要用于（）。A.进行天文观测B.提供全球导航定位C.实现星地量子通信D.传输大容量经典数据9.量子互联网与经典互联网的主要区别在于其基础传输单元是（）。A.比特（bit）B.字节（byte）C.量子比特（qubit）D.光脉冲10.后量子密码学研究的重点是（）。A.利用量子计算机破解现有公钥密码B.利用量子密钥分发增强现有加密C.设计抗量子计算机攻击的密码算法D.实现量子存储器的长期存储二、填空题（请将正确答案填在横线上。每空2分，共20分）1.量子比特处于0和1的叠加态，可以表示为|ψ⟩=α|0⟩+β|1⟩，其中|α|²和|β|²分别代表测量得到0和1的______。2.量子纠缠是指两个或多个量子比特之间存在一种特殊的关联，即使它们相距遥远，测量其中一个的状态会瞬时影响另一个的状态，这种特性被称为______。3.目前实现量子密钥分发的主要物理平台包括光纤和______两种。4.量子通信网络要实现广域覆盖，需要克服的主要技术挑战是______问题。5.量子密钥分发的安全性源于量子力学的基本原理，即使攻击者拥有无限的计算能力，也无法在不破坏量子态的情况下复制密钥，这体现了______的重要性。6.量子隐形传态的过程通常需要借助一个______和经典通信渠道来完成信息的传输。7.评价单光子探测器的关键参数包括探测效率、暗计数率和______。8.量子repeater的研究目标是解决长距离量子通信中量子态衰减和______的问题。9.量子互联网的最终目标之一是实现基于量子资源的______，提供超越经典互联网的安全通信能力。10.除了直接威胁现有公钥密码体系外，量子计算的发展也对基于______的量子密钥分发协议的安全性提出了新的挑战。三、简答题（请简要回答下列问题。每小题5分，共20分）1.简述量子不可克隆定理的内容及其对量子通信（特别是QKD）的意义。2.与经典通信相比，量子通信在安全性方面具有哪些显著优势？3.简述星地量子通信相较于地面量子通信在实现长距离传输方面的主要优势。4.简要说明量子密钥分发（QKD）系统需要解决的关键工程问题。四、论述题（请就下列问题展开论述。每小题10分，共20分）1.论述量子纠缠在量子通信（包括QKD和量子隐形传态）中的核心作用。2.分析当前量子通信技术从实验室走向大规模商业化应用所面临的主要挑战，并提出可能的解决方案。试卷答案一、选择题1.C2.B3.A4.C5.C6.C7.C8.C9.C10.C二、填空题1.概率2.纠缠3.自由空间（或空腔）4.量子退相干（或量子纠缠破坏）5.量子不可克隆定理6.量子纠缠（或纠缠态）7.时间分辨率（或串扰）8.退相干（或相干性损耗）9.量子密钥分发（或QKD）10.量子态测量（或测量）三、简答题1.量子不可克隆定理指出，任何一个量子态都无法被完美地复制。具体来说，对于任意两个相同的量子态|ψ⟩，不可能存在一个量子操作U，使得U|ψ⟩|Φ⟩=|ψ⟩|ψ⟩，其中|Φ⟩是任意另一个量子态。该定理保证了量子信息的独特性，使得攻击者无法在不被察觉的情况下复制量子密钥，从而为QKD提供了理论基础。如果攻击者能完美复制密钥量子态，就可以通过测量来破解密钥，但量子不可克隆定理阻止了这种行为。2.量子通信的主要安全优势在于其安全性基于量子力学的基本原理，而非数学难题。QKD利用了量子不可克隆定理和测量塌缩特性，理论上可以实现信息传输的绝对安全（针对窃听攻击）。即使攻击者拥有无限计算能力，也无法破解基于QKD的密钥，因为任何窃听行为都会不可避免地干扰量子态，从而被合法用户检测出来。相比之下，经典加密（如RSA）的安全性依赖于某些数学问题的计算难度（如大数分解），理论上存在被量子计算机破解的风险。3.星地量子通信的主要优势在于克服了地面光纤传输中长达数千公里的距离限制和易于被窃听的问题。光纤传输中，光子在长距离传输中会衰减，且易受电磁干扰和人为窃听；自由空间（如大气层或外太空）传输虽然也会受到大气湍流、衰减等影响，但可以利用卫星平台进行中继，实现真正意义上的点对点或星基覆盖，极大地扩展了量子通信的距离和覆盖范围，为构建全球化的量子互联网提供了可能。4.QKD系统需要解决的关键工程问题包括：①光源问题：获得高质量、高亮度、高纯度的单光子源，并实现其与通信系统的兼容；②探测器问题：研制高效率、低噪声、高速的单光子探测器，并解决暗计数率问题；③信道问题：处理光纤传输中的损耗和退相干，以及自由空间传输中的大气影响和噪声；④中继问题：开发可靠的量子repeater技术，以实现超长距离的量子密钥分发；⑤系统集成与稳定性：将各种组件集成成稳定、可靠、成本可控的量子通信系统，并保证其长期稳定运行；⑥安全性认证：实现高效、实时的安全认证，确保密钥分发的安全性。四、论述题1.量子纠缠是量子通信的基石，其核心作用体现在以下几个方面：①在QKD中，量子纠缠被用于构建安全的密钥。例如，在E91协议中，利用了两个处于纠缠态的单光子对的测量结果之间的关联性来探测窃听。即使窃听者无法复制光子态，其测量行为也会破坏纠缠，导致合法用户和窃听者之间产生可检测的统计偏差，从而保证安全性。纠缠关联确保了密钥生成的共享秘密性。②在量子隐形传态中，量子纠缠扮演了“传输管道”的角色。发送方和接收方各持有纠缠态的一部分，发送方通过对本地量子态和来自发送方的纠缠粒子进行联合测量，将待传输量子态的信息编码到另一个纠缠粒子中，并通过经典信道将测量结果发送给接收方。接收方根据测量结果和本地持有的纠缠粒子，可以重构出原始的量子态。整个过程利用了纠缠的非定域性，实现了量子态的远程传输，其安全性同样基于量子力学原理。2.当前量子通信技术走向大规模商业化应用面临的主要挑战及可能的解决方案：主要挑战包括：①技术成熟度与稳定性：现有QKD系统性能（如距离、速率、稳定性）仍有待提高，难以满足现有通信网络的需求。②成本问题：高性能的单光子源、探测器等核心器件成本高昂，导致系统整体造价过高。③基础设施兼容性：量子通信需要与现有经典通信网络（光纤、无线等）进行融合，接口、协议等方面存在兼容性问题。④量子repeater的瓶颈：实现广域量子通信需要可靠的量子repeater，目前该技术仍处于早期研究阶段，面临诸多技术挑战。⑤标准化与产业链：缺乏统一的国际标准，量子通信产业链尚未完善，商业化推广缺乏支持。⑥安全性与认证：如何在实际复杂环境中有效实施QKD，并确保其长期安全性，以及如何进行高效的安全认证，都是需要解决的问题。可能的解决方案：①持续研发与性能提升：加大投入，推动光源、探测器、信道技术等不断进步，降低成本，提高系统性能和稳定性。②发展集成化、小型化器件：采用微纳加工、量子芯片等技术，研制集成度更高、体积更小的量子器件，降低系统复杂度和成本。③探索混合系统：研究经典与量子相结合的混合通信系统