2025年大学《量子信息科学》专业题库- 量子通信协议的设计与实现

2025年大学《量子信息科学》专业题库——量子通信协议的设计与实现考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题3分，共30分。请将正确选项的字母填在括号内）1.量子密钥分发（QKD）利用了量子力学中的哪个基本原理来保证密钥分发的安全性？(A)量子不可克隆定理(B)量子叠加原理(C)量子纠缠原理(D)量子退相干效应2.在BB84协议中，发送方选择发送|0⟩或|1⟩，以及选择Z基或X基进行测量的依据是？(A)预先共享的经典密钥(B)随机选择(C)窃听者的意图(D)接收方的需求3.如果在BB84协议的密钥协商阶段，发送方发送的是|0⟩，但接收方在Z基上测量得到的是|+⟩，这种情况通常意味着？(A)出现了测量误差(B)接收方选择基错误(C)存在窃听(D)量子信道损坏4.E91协议相比于BB84协议，其主要优势在于？(A)实现更简单(B)传输距离更远(C)对信道噪声更鲁棒(D)密钥生成速率更高5.量子不可克隆定理指出，任何对未知量子态的精确复制都是不可能的，这意味着？(A)量子态无法被测量(B)量子信息可以无限复制(C)窃听者无法复制被测量的量子态信息而不被察觉(D)量子计算机无法工作6.在量子通信系统中，探测器的重要作用是？(A)产生量子态(B)选择测量基(C)测量单光子或纠缠光子对(D)存储量子信息7.量子密钥率指的是？(A)每秒可以传输的比特数(B)每次测量可以获得的比特数(C)实际生成的安全密钥比特数(D)需要协商的密钥比特总数8.偏差检测（DGD）在QKD协议中的作用是？(A)直接生成密钥(B)验证通信双方是否遵循了协议约定，是否存在窃听(C)增加密钥生成速率(D)降低密钥错误率9.以下哪项技术通常用于克服QKD的距离限制？(A)增加发射功率(B)使用量子中继器(C)采用更复杂的协议(D)使用光纤放大器10.量子密钥分发系统的主要应用领域是？(A)大规模数据存储(B)高速互联网接入(C)提供安全的经典或量子信息传输通道(D)量子计算二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填在横线上）1.量子通信协议的安全性主要基于量子力学中的________定理和贝尔不等式。2.在BB84协议中，发送方使用两种量子态________和________以及两种测量基________和________来协商密钥。3.接收方在公开比对双方选择的基后，会移除其中________的部分，得到最终的共享密钥。4.量子密钥错误率（KER）是衡量QKD系统性能的重要指标，其理想值应为________。5.为了抵抗侧信道攻击，通常需要对协商好的密钥进行________。6.E91协议利用了单光子对的________态和相应的测量来检测窃听。7.量子通信实验中，对单光子探测器的效率要求非常高，通常需要达到________%以上。8.量子存储技术可以在量子信道中实现________，对于扩展量子通信距离至关重要。9.与经典通信相比，量子通信的最大特点是任何窃听行为都不可避免地会________量子态，从而被检测到。10.量子通信目前的主要挑战包括单光子源和探测器的性能、信道损耗以及________。三、简答题（每题10分，共30分。请简要回答下列问题）1.简述BB84协议的基本工作流程。2.解释什么是量子不可克隆定理，并说明其在量子通信（特别是QKD）中的意义。3.简要说明QKD协议中偏差检测（DGD）的原理及其目的。四、论述题（15分。请就以下问题展开论述）结合BB84协议的原理，讨论影响其密钥生成速率和安全性的主要因素有哪些？并简要说明如何应对其中的一些挑战。试卷答案一、选择题1.A2.B3.C4.C5.C6.C7.C8.B9.B10.C二、填空题1.不可克隆2.|0⟩,|1⟩,Z,X3.相同4.05.隐私放大6.贝尔7.908.延迟9.破坏10.成本与集成三、简答题1.BB84协议基本工作流程：*发送方首先随机选择一个基（Z基或X基），然后根据所选基随机选择要发送的量子态（|0⟩或|1⟩）。例如，若选择Z基发送|0⟩，或选择X基发送|+⟩。*发送方将量子态编码在光子等量子载体上，通过量子信道发送给接收方。*接收方同样随机选择一个基（Z基或X基）对收到的量子态进行测量。*双方公开协商他们各自选择的测量基（这一过程可以通过经典信道完成，且不泄露任何量子信息）。*接收方只保留那些自己测量基与发送方发送时所用基相同的结果。例如，如果接收方在Z基测量，则只保留发送方也使用Z基发送的|0⟩和|1⟩；丢弃发送方使用X基发送的|+⟩和|-⟩。*通过对保留的测量结果进行公开比对（只比对方差），双方可以确定哪些比特是基于相同测量基得到的，从而得到共享的初始密钥。最后可能还需要进行错误率估计和隐私放大来得到最终的安全密钥。2.量子不可克隆定理及其意义：*原理：定理指出，对于任意未知量子态|ψ⟩，不存在一个量子操作U，能够产生两个精确相同的量子态|ψ⟩和|φ⟩，使得U(|ψ⟩)|Φ⁺⟩=|ψ⟩|Φ⁺⟩和U(|ψ⟩)|Φ⁺⟩=|ψ⟩|Φ⁺⟩（其中|Φ⁺⟩是辅助量子态）。即不可能在不破坏原始量子态的前提下，精确复制一个未知的量子态。*意义：该定理是QKD安全性的核心物理基础。在QKD协议中（如BB84），如果存在窃听者Eve，她需要测量量子信道中的量子态以获取密钥信息。根据量子测量理论，任何测量都会不可避免地改变被测量的量子态的相干性或状态。如果Eve试图复制或存储她测量的量子态（例如，使用某种克隆机），量子不可克隆定理保证她无法完美复制未知状态，这种复制过程中的扰动或失败将会被合法用户（发送方和接收方）通过比较部分公开信息或偏差检测来发现，从而暴露窃听行为，保证了通信的安全性。3.偏差检测（DGD）原理及其目的：*原理：DGD的主要思想是，即使窃听者Eve能够完美地模拟发送方Alice的行为，她也不可能完美地模拟信道中量子态的统计特性，除非她拥有与Alice相同的理想设备。通过比较接收方Bob测量得到的量子态统计分布与理论上的理想分布（基于Alice和Bob选择的基和信道参数计算得到），可以检测到统计上的偏差，进而判断是否存在窃听。*目的：DGD的主要目的是在不泄露密钥的前提下，验证Alice和Bob双方在密钥协商过程中是否都严格遵守了协议约定（即选择了相同的测量基）。如果存在窃听，Eve的行为通常会引入额外的统计偏差（例如，由于她可能使用了非理想的测量设备或策略），这种偏差可以通过DGD被Alice和Bob检测出来。因此，DGD提供了一种在密钥生成之后，对QKD系统的安全性进行后验验证的手段，确保生成的密钥具有可接受的安全强度。四、论述题影响BB84协议密钥生成速率和安全性的主要因素包括：1.量子信道质量（损耗和噪声）：光纤或自由空间信道的损耗会降低单光子的到达率，从而降低密钥生成速率。信道噪声（如散射、吸收）会干扰量子态，增加密钥错误率（KER），降低可用密钥率。信道损耗是限制QKD距离的主要因素。2.单光子源和探测器的性能：单光子源的质量（如单光子纯度、速率、亮度）直接影响可用光子数量和协议效率。探测器的效率（探测到单光子的概率）和暗计数率（无输入光子时误报的概率）对密钥错误率和安全性至关重要。低效率和高暗计数都会增加KER，甚至可能被窃听者利用。3.基选择和测量效率：发送方和接收方基选择的一致性直接影响可用于生成密钥的比特数。接收方探测器的效率取决于其使用的测量基（Z基或X基的探测器效率通常不同），较低的测量效率会直接导致KER升高。偏差检测的可靠性也依赖于对各种可能情况（不同基选择组合）的精确统计建模。4.协议执行和偏差检测：实际执行协议时的操作精度、时钟同步等都会影响性能。偏差检测的严格程度和实现方式也关系到能否有效发现窃听。DGD的统计精度需要足够的比对比特数才能可靠。5.环境干扰和侧信道攻击：量子信道外的环境噪声（如电磁干扰）可能影响设备性能。更严重的是，窃听者可能采用侧信道攻击（如测量探测器闪烁、分析发射功率波动等）来获取密钥信息，这需要通过设计抗侧信道攻击的协议或采用额外的物理层安全措施来应对。应对挑战的方法：*提高信道质量：使用低损耗光纤、中继器（如基于存储器的量子中继器）来补偿损耗，或利用自由空间传输（如卫星QKD）克服大气损耗。*提升设备性能：研发更高效率、更高纯度、更高亮度的单光子源；研发更高效率、更低暗计数的单光子探测器。发