2025年大学《量子信息科学》专业题库- 量子信息安全的挑战与机遇

2025年大学《量子信息科学》专业题库——量子信息安全的挑战与机遇考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、简述量子比特与经典比特的主要区别，并说明这些区别如何影响量子密码学的设计。二、BB84量子密钥分发协议中，Alice如何通过量子态和测量基的选择来向Bob传输密钥？Bob如何从中恢复密钥，并确保其与Alice使用的密钥一致？三、Shor算法能够破解RSA密码体制，请解释其基本原理，并说明这对现有非对称加密体系构成了怎样的威胁。四、什么是侧信道攻击？请列举两种针对量子密钥分发的侧信道攻击方式，并简述其攻击原理。五、格密码被认为是目前最有前景的量子抵抗型密码算法之一，请简述格密码的基本思想，并说明其安全性基于哪一数学难题。六、量子安全直接通信（QSDC）与量子密钥分发（QKD）有何不同？请简述QSDC的基本原理，并说明其优势所在。七、目前量子计算技术的发展还面临哪些主要挑战？这些挑战对量子信息安全的未来发展可能产生哪些影响？八、请比较量子密钥分发和量子抵抗型密码学在保障信息安全方面的特点和应用场景，并分析两者未来的发展趋势。试卷答案一、解析：量子比特（qubit）可以处于0和1的叠加态，而经典比特只能处于0或1的状态。量子比特具有量子纠缠特性，多个量子比特可以处于一种整体关联的状态，而经典比特之间不存在这种关联。这些特性使得量子密码学可以实现经典密码学无法实现的安全功能，例如，量子密钥分发可以实现信息理论上无法被窃听的安全通信。二、解析：Alice使用随机选择的量子态（0态或1态）和随机选择的测量基（Z基或X基）来编码信息，并将编码后的量子态发送给Bob。Bob使用自己选择的测量基来测量接收到的量子态，并根据公开的协议规则（例如，Alice通过经典信道告诉Bob他使用的测量基）来恢复原始信息。通过比较双方选择的测量基，Alice和Bob可以筛选出双方使用相同测量基的量子比特，这些量子比特的测量结果构成了他们的共享密钥。由于测量会破坏量子态的叠加特性，任何窃听者都无法在不干扰量子态的情况下获取信息，从而保证了密钥的安全性。三、解析：Shor算法是一种量子算法，可以在多项式时间内分解大整数，而经典算法需要指数时间。RSA密码体制的安全性基于大整数分解的困难性。Shor算法的出现表明，如果量子计算技术发展到足够成熟的程度，现有的RSA等非对称加密算法将不再安全。这将对互联网安全、金融安全等领域产生巨大影响，需要开发新的量子抵抗型密码算法来替代现有的非对称加密算法。四、解析：侧信道攻击是指通过分析密码设备的物理信息（例如，功耗、时间、电磁辐射等）来获取密钥或其他敏感信息的一种攻击方式。针对量子密钥分发的侧信道攻击方式主要包括：1）测量设备攻击：通过测量量子接收器或测量仪器的性能参数来推断发送的量子态信息。2）截取重发攻击：窃听者截获量子密钥，然后重新发送相同的量子序列，通过分析接收器或测量仪器的反应来推断密钥信息。五、解析：格密码的基本思想是将密钥和明文编码成格中的向量，通过对这些向量进行运算来加密和解密信息。格密码的安全性基于格最短向量问题（LWE）或最近向量问题（CVP）等数学难题。这些问题的计算难度使得攻击者无法在合理的时间内破解格密码，因此格密码被认为是目前最有前景的量子抵抗型密码算法之一。六、解析：量子密钥分发（QKD）的主要目的是安全地分发密钥，而量子安全直接通信（QSDC）的目的是直接在量子信道上安全地传输信息。QKD只提供密钥分发的功能，还需要结合经典加密算法来加密实际的信息。QSDC的基本原理是利用量子态的特性来保证信息传输的安全性，它不需要使用经典加密算法。QSDC的优势在于它可以实现信息理论上无法被窃听的安全通信，而QKD只能保证密钥的安全性，实际信息的传输仍然可能被窃听。七、解析：目前量子计算技术的发展还面临的主要挑战包括：1）量子比特的相干时间短：量子比特容易受到噪声和干扰的影响，导致其状态quicklydephases，从而无法进行长时间的计算。2）量子比特的数量有限：目前可用的量子比特数量还很少，无法运行复杂的量子算法。3）量子纠错技术不成熟：量子纠错是保证量子计算正确性的关键技术，目前还处于研究阶段，需要进一步发展和完善。这些挑战对量子信息安全的未来发展的影响是复杂的：一方面，量子计算技术的发展可能会对现有的信息安全体系构成威胁，需要开发新的量子抵抗型密码算法；另一方面，量子计算技术也可能为量子安全通信提供新的技术手段，例如，基于量子隐形传态的量子安全直接通信。八、解析：量子密钥分发（QKD）和量子抵抗型密码学在保障信息安全方面的特点和应用场景有所不同。QKD主要用于安全地分发密钥，它可以实现信息理论上无法被窃听的安全密钥分发，但实际信息的传输仍然需要使用经典加密算法。QKD适用于对密钥安全性要求较高的场景，例如，军事通信、金融交易等。量子抵抗型密码学则用于加密实际的信息，它可以抵抗量子计算机的攻击，即使在量子计算机出现的情况下也能保证信息安全。量子抵抗型