2025年大学《量子信息科学》专业题库- 量子信息传输的新技术

2025年大学《量子信息科学》专业题库——量子信息传输的新技术考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。请将正确选项的字母填在括号内）1.量子密钥分发（QKD）能够抵抗窃听的关键物理基础是（）。A.量子不可克隆定理B.量子测量塌缩C.量子纠缠D.海森堡不确定性原理2.在E91量子密钥分发协议中，利用的量子力学现象是（）。A.单光子干涉B.量子隐形传态C.量子不可克隆D.量子纠缠的随机性3.量子隐形传态过程中，需要经典通信来传输的信息量是（）。A.量子态所包含的全部信息B.贝尔态制备所需的信息C.传输粒子的测量结果D.重构粒子的完整量子态信息4.以下哪一项不是目前制约量子密钥分发实际应用距离的主要原因？（）A.量子信道的损耗B.单光子探测器的效率限制C.量子存储器的成熟度D.协议实现的复杂度和成本5.量子信道容量是衡量该信道传输量子信息能力上限的指标，其计算通常与（）密切相关。A.信道带宽B.信道噪声功率C.发送端和接收端的量子操作自由度D.量子比特的数量6.在构建分布式量子计算或量子网络时，量子存储器的主要作用是（）。A.增强量子态的相干性B.放大微弱的量子信号C.解决量子信息传输速度与处理速度的矛盾D.提高量子测量的精度7.以下哪种技术方案旨在克服自由空间传输中大气损耗和湍流的影响？（）A.卫星量子通信B.波分复用（WDM）C.量子中继器D.增强型单光子探测器8.量子资源理论中的“Holevo界限”主要用于界定（）。A.量子信道能传输的最大经典信息量B.量子存储器能保存的最长时间C.量子纠缠能提供的最大优势D.单个量子比特能携带的最大信息9.连续变量量子密钥分发（CV-QKD）相比于离散变量QKD，其主要优势之一是（）。A.对单光子源的要求更低B.更容易抵抗某些类型的测量攻击C.能在更长的距离上实现D.理论上能达到更高的密钥率10.量子网络中实现节点间信息交换的关键技术之一是（）。A.量子态层析B.量子路由C.量子态测量D.量子纠错编码二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填在横线上）1.量子密钥分发基于量子力学的基本原理，如______和______，使得任何窃听行为都会被检测到。2.实现量子隐形传态至少需要两个粒子处于一个特定的______态，以及一个量子信道和一定的______通信。3.衡量量子信道性能的重要指标包括信道容量、______和______。4.量子存储技术的发展对于构建长距离量子通信网络和______至关重要。5.庵野编码（AdamiCode）是一种重要的量子纠错码，它可以将一个______量子比特的信息编码到多个______量子比特中，从而实现错误纠正。三、简答题（每题5分，共20分）1.简述量子密钥分发（QKD）的基本原理，并说明其相比于经典密钥分发的安全性优势。2.解释量子隐形传态与经典信息传输的主要区别。3.阐述量子存储器在量子信息传输中的作用及其面临的挑战。4.简要说明量子网络相较于经典网络的主要特点和面临的挑战。四、计算题（每题10分，共20分）1.假设一个量子信道为理想的AWGN信道，信道容量为C比特/秒。若使用BB84协议进行量子密钥分发，单光子传输效率为η，探测器的效率为γ，且每个数据帧包含n个量子比特。请简述计算该QKD系统最大密钥率（k）的基本思路，并写出关键公式（无需计算具体数值）。2.设一个量子存储器能够以保真度F存储单个量子比特1秒。现需要利用该存储器实现一个简单的量子中继器功能，将经过一个损耗较大（损耗因子ρ）的量子信道传输的量子态进行存储和转发。请简述该过程中可能面临的主要保真度损失环节，并讨论提高最终输出态保真度的可能途径。五、论述题（15分）结合当前研究进展，论述量子密钥分发（QKD）从实验室走向实际应用所面临的主要技术挑战，并探讨几种可能的解决方案或研究方向。试卷答案一、选择题1.A2.D3.C4.C5.C6.C7.A8.A9.B10.B二、填空题1.量子不可克隆定理，海森堡不确定性原理2.经典，贝尔3.信道噪声，误码率4.分布式量子计算5.一个，多个三、简答题1.原理：QKD利用量子力学原理（如量子不可克隆定理、测量塌缩、不确定性原理）进行密钥协商。发送方根据预设协议（如BB84）制备量子态并发送，接收方进行测量。任何窃听者在未破坏量子态的前提下尝试测量都会不可避免地引入扰动，从而被发送方和接收方通过后续的公开经典通信比对测量结果而发现。优势：与经典密钥分配需要通过不安全的信道传输密钥不同，QKD利用量子信道本身的物理特性保证密钥的安全性，理论上可达到信息论安全，窃听无法在不被察觉的情况下进行。2.区别：*信息载体：经典传输传输经典比特（0或1），量子传输传输量子比特（可处于0、1或叠加态）。*传输方式：经典传输直接传输比特值，量子传输需要利用量子态的特定性质（如纠缠）和经典通信辅助。*不可复制性：量子信息具有不可克隆性，传输过程中不能精确复制未知量子态，必须通过测量和经典通信来重建。*需要资源：量子传输除了需要量子信道和单光子源/探测器外，还需要处于特定纠缠态的两个粒子，并需要经典通信支持。3.作用：量子存储器能够暂时存储量子信息（如量子态、纠缠），解决量子信息传输速度（光速）与处理/计算速度（可能较慢）不匹配的矛盾，是实现量子中继器、构建分布式量子计算和量子网络的关键器件。挑战：当前量子存储器面临的主要挑战包括存储时间有限、存储/读出保真度不高（会引入错误）、对环境噪声敏感（退相干问题）、集成难度大、成本高等。4.特点：*信息载体：传输量子比特或量子态。*安全性：可集成QKD实现安全通信。*并行性：可利用量子纠缠实现并行通信或计算。*资源需求：需要量子态源、存储器、纠缠源、量子测量设备等特殊资源。挑战：主要挑战包括量子信道的损耗和噪声、量子中继器/存储器的技术成熟度、量子态的制备和操控精度、网络协议的复杂性、以及如何与现有经典网络融合等。四、计算题1.思路：计算QKD最大密钥率需要考虑单次传输能分发的有效密钥比特数以及每秒能成功传输的量子比特对数。这受到信道容量、单光子传输效率、探测器效率、协议开销（如随机数生成、错误率计算等所需的经典通信）以及噪声和损耗的限制。关键在于确定在给定条件下，每次量子传输能成功分发多少有效的密钥比特（扣除协议开销后）。公式：最大密钥率k=(有效比特数/每次传输总比特数)×成功传输比特对率。其中，成功传输比特对率与信道容量、单光子传输效率η、探测器效率γ以及损耗有关，通常表示为C'=C×η×γ×(1-L)^n(L为损耗因子)，n为每对比特传输的量子比特数。有效比特数取决于协议和错误纠正效率。最终公式需要综合考虑这些因素，表达为η×γ×(1-L)^n×f(η,γ,L,n,C)的形式，其中f代表考虑协议开销和错误处理后的有效因子。2.保真度损失环节：*信道传输损耗：量子态在通过损耗信道时，其振幅会衰减，导致保真度下降。*存储器读出误差：从存储器中读出量子态时，由于存储过程中的退相干和噪声，读出态可能与原始存储态存在差异。*存储器-信道接口：将存储器中的量子态转移到信道中，或在信道中接收并加载到存储器中，这两个过程都可能引入额外的错误。*信道-存储器接口：接收到的经过信道传输的量子态加载到存储器中，同样可能存在转换错误。提高途径：*使用低损耗量子信道。*提高量子存储器的存储时间和保真度。*优化存储器与信道之间的接口技术，减少转换错误。*采用量子纠错码，在读取后进行错误纠正。*设计更先进的量子中继器方案，可能结合多级存储和操作来累积和补偿保真度损失。五、论述题量子密钥分发（QKD）从实验室走向实际应用面临诸多挑战，主要包括：1.传输距离限制：光子在光纤或自由空间中传输时存在固有损耗，导致信号衰减，限制了QKD的安全通信距离。目前单段光纤传输距离尚在百公里量级，远低于经典通信。解决方案包括：*量子中继器：理论上可以延长传输距离，但实现复杂，特别是基于存储器的中继器在保真度保持和纠缠交换方面技术难度大。*卫星量子通信：利用卫星作为中继或纠缠源，可克服地面光纤损耗限制，实现百公里至数千公里的传输，是当前研究的热点方向。*新型低损耗量子信道：研究应用于量子通信的低损耗介质（如特殊光纤、自由空间）或方案（如偏振复用）。2.成本与复杂度：实现QKD系统所需的单光子源、单光子探测器、量子存储器等器件目前成本高昂、性能要求苛刻、系统搭建复杂。解决方案包括：*器件小型化与集成：利用微纳加工、集成光子学等技术，降低器件尺寸和成本，便于集成化系统开发。*开发实用化器件：研究更经济、性能接近实用的量子源、探测器等方案，如基于半导体材料的器件。*协议优化：设计更高效、抗干扰能力更强、对器件性能要求相对较低的QKD协议。3.安全性挑战与对抗攻击：理论上QKD是安全的，但实际系统可能存在漏洞，易受侧信道攻击（如测量攻击、干扰攻击）或环境噪声影响。解决方案包括：*对抗QKD协议：研发能够抵抗各种已知和未知攻击的QKD协议，如基于纠缠的E91协议、能够检测连续变量攻击的方案等。*安全性认证与测试：建立完善的安全性评估和认证体系，确保实际部署的QKD系统达到设计的安全水平。*后量子密码：考虑将QKD与后量子密码（PQC）方案结