2025年大学《量子信息科学》专业题库- 量子密码学的安全性分析与研发

2025年大学《量子信息科学》专业题库——量子密码学的安全性分析与研发考试时间：______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）1.量子密钥分发（QKD）利用量子力学的哪些基本原理来保证密钥的安全性？()A.量子叠加B.量子不可克隆定理C.量子纠缠D.量子退相干E.以上所有2.在BB84协议中，攻击者无法确定窃听者使用的测量基，主要是因为他无法测量到（）。A.发射端的随机选择B.量子态本身C.接收端的测量结果D.量子态的相位E.量子态的偏振3.以下哪种攻击方法可以突破BB84协议在理论上的信息论安全界限？()A.量子态层析攻击B.Grover攻击C.侧信道攻击D.量子隐形传态攻击E.空间分割攻击4.E91协议利用了量子力学中的哪个核心概念来探测窃听？()A.量子不可克隆定理B.量子测量塌缩C.量子非定域性D.量子叠加态E.量子退相干5.在QKD系统中，信道损耗主要影响哪个参数？()A.量子态的偏振B.单光子探测器的效率C.密钥分发距离D.量子随机数生成率E.攻击者的计算复杂度6.以下哪种器件是QKD系统中必不可少的？()A.普通激光器B.单光子源C.光功率计D.温度计E.量子存储器7.QKD系统后处理阶段使用隐私放大算法的主要目的是什么？()A.提高密钥率B.增强量子态的相干性C.消除或降低窃听者可能获取的任何信息D.提高探测器的灵敏度E.减少信道损耗8.量子安全直接通信（QSDC）与QKD的主要区别在于什么？()A.QSDC不需要密钥分发B.QSDC可以在存在窃听者的情况下直接传输加密信息C.QSDC不依赖于量子力学原理D.QSDC的传输距离比QKD短E.QSDC的安全性不依赖于经典密码学9.导致QKD系统实际安全性低于理论安全性的主要技术因素有哪些？（请选择所有适用项）A.光源的非单光子特性B.探测器存在暗计数C.信道存在相位噪声D.量子存储器的效率损失E.后处理算法不够完善10.量子密码学的研究与发展对现有信息安全体系可能带来的挑战是什么？（请选择所有适用项）A.对现有公钥密码体制（如RSA、ECC）的威胁B.需要全新的网络基础设施C.增加了信息传输的成本D.提高了密钥管理的复杂度E.可能导致所有通信都面临被破解的风险二、填空题1.量子密钥分发的基本思想是利用量子力学的特性，确保任何窃听行为都会被__________。2.在BB84协议中，发射端和接收端各自随机选择四种不同的__________来编码和测量量子态。3.衡量QKD系统性能的常用指标包括密钥率、__________、保密性等。4.为了克服光纤传输距离对QKD的限制，研究人员正在探索利用__________或自由空间传输等方式。5.侧信道攻击是指通过测量QKD系统中与量子信道__________相关的物理量（如功率、时间、相位）来获取密钥信息的攻击方式。6.量子数字签名结合了量子密钥分发的__________和量子计算的__________特性。7.基于E91协议的安全性主要来源于贝尔不等式的__________检验。8.量子存储器在QKD系统中可以用于解决信道__________限制的问题，实现异步量子密钥分发。9.后处理算法中的纠错算法主要用于消除由于信道__________引入的错误。10.除了QKD，量子密码学还包括量子数字签名、__________等多种应用形式。三、简答题1.简述量子不可克隆定理，并说明它为何是量子密钥分发的理论基础。2.比较并说明BB84协议和E91协议在安全性证明原理上的主要区别。3.简述QKD系统中常见的几种攻击类型，并说明其基本原理。4.解释什么是QBER，它如何反映QKD系统的安全性？5.简述实现长距离量子密钥分发的几种主要技术途径及其面临的主要挑战。四、论述题1.详细分析影响QKD系统实际安全性的主要因素，并探讨相应的安全评估方法和防御策略。2.结合当前技术发展，论述实现QKD实用化的主要瓶颈以及可能的解决方案。3.探讨量子密码学与经典密码学在原理、应用和安全性方面的主要异同，以及两者未来可能的发展方向和协同方式。---试卷答案一、选择题1.E2.B3.B4.C5.C6.B7.C8.B9.A,B,C,D,E10.A,B,D二、填空题1.检测到2.基(或偏振基)3.传输距离(或误码率)4.卫星(或蓝牙)5.环境或设备6.安全性(或信息论安全),计算(或加密解密)7.等价性(或违反)8.损耗(或延迟)9.错误(或误差)10.量子隐写(或量子安全直接通信)三、简答题1.解析思路：首先阐述量子不可克隆定理的内容：任何对未知量子态的测量都无法在不破坏该量子态的前提下精确复制它。然后，将其与QKD联系起来：如果存在完美的量子克隆机，攻击者可以复制传输的量子态，测量副本以获取信息而不被发送方和接收方察觉，从而破坏密钥分发的安全性。因此，量子不可克隆定理的存在，保证了任何窃听行为都必然留下可被检测到的痕迹，是QKD信息论安全性的核心基础。2.解析思路：首述BB84协议基于信息论安全性，其安全性不依赖于对攻击者能力的假设，只与协议本身有关。其次，阐述E91协议基于贝尔不等式检验，其安全性来源于对量子力学非定域性（或纠缠）的Violation，通过直接探测攻击者可能存在的模拟量子态的能力来保证安全性。最后，指出两者原理的根本不同：BB84是信息论安全，E91是基于物理原理（贝尔不等式）的可证安全性。3.解析思路：列举主要攻击类型：①偷听攻击（如测量攻击、截取重发攻击）：攻击者物理接触信道，测量或复制量子态，可能破坏量子态特性或引入扰动。②侧信道攻击：攻击者不直接测量量子信道，而是通过分析系统其他物理量（如功率、电流、时间、温度、电磁辐射）泄露信息。③系统漏洞攻击：利用单光子源不纯、探测器效率低、同步误差、存储器损耗等器件或系统实现中的具体缺陷。④理论攻击（如Grover攻击）：虽然理论上可以加速对密钥的搜索，但通常只在密钥极短或攻击资源极大时才构成威胁，实际QKD系统密钥率通常足够高，可抵抗此等攻击。简要说明每种攻击的基本原理和目标。4.解析思路：首先定义QBER（QuantumBitErrorRate），即测量得到的量子比特错误数占总测量数目的比例，它反映了接收到的量子态与发送端原始量子态之间的偏离程度。然后，解释QBER如何指示安全性：较高的QBER通常意味着信道质量差，或者存在攻击者干扰，导致窃听者更容易获取信息，从而降低了密钥分发的安全性。因此，通过监控和限制QBER，可以评估和保证QKD系统的实际安全性。5.解析思路：提出主要技术途径：①增强单光子源功率和纯度，提高传输效率。②使用量子中继器（基于量子存储和量子纠缠）来放大或转换量子信号。③采用自由空间传输（如卫星链路）克服光纤损耗限制。④研究低损耗光纤或新型传输介质（如波导）。最后，分析每种途径面临的挑战：量子中继器技术复杂且尚不成熟；卫星链路成本高、星地链路稳定性问题；自由空间传输易受天气影响；新型介质性能和成本问题。核心挑战在于如何有效克服光子在长距离传输过程中的衰减和噪声。四、论述题1.解析思路：*主要因素：阐述影响实际安全性的是多方面的，包括：①器件非理想性（光源单光子性、探测器效率/噪声、存储器保真度等）；②信道损耗和噪声（光纤损耗、散射、相位噪声等）；③系统同步误差；④后处理算法的效率和安全边界；⑤侧信道攻击的威胁；⑥环境因素的影响。*安全评估：讨论如何评估安全性，如通过理论分析计算秘密钥率、QBER下限；通过仿真模拟攻击效果；通过实验测量系统参数并推算实际密钥率；分析不同攻击场景下的安全边界。*防御策略：针对上述因素提出防御方法，如选用高性能器件、采用前向纠错减少误码、优化后处理算法（更强的隐私放大、更优的纠错）、设计抗侧信道攻击的方案、进行严格的安全认证和测试。2.解析思路：*主要瓶颈：分析实用化面临的挑战：①光纤传输距离限制（损耗和噪声累积）；②成本过高（高性能器件昂贵、系统复杂）；③系统稳定性与可靠性（对环境敏感、维护复杂）；④密钥率与传输速率目前尚无法满足大规模应用需求；⑤缺乏成熟的标准化和产业链；⑥与现有网络和应用的集成问题。*解决方案：探讨可能的突破方向：①发展量子中继器技术，实现长距离传输；②提高器件性能并降低成本，推动技术成熟；③优化系统设计，提高稳定性和可靠性；④发展更高密钥率的协议和系统；⑤加快标准化进程，促进产业发展；⑥研究混合系统，逐步集成；⑦探索卫星量子通信等新型架构。3.解析思路：*异同点：*原理：量子密码学基于量子力学基本原理（不可克隆、测量塌缩、纠缠等）提供特殊的安全保障（主要是对抗量子计算威胁或直接利用量子特性防窃听）；经典密码学基于数学难题（如大整数分解、离散对数）或概率论提供安全性。*应用：量子密码学主要应用于密钥分发（QKD）和潜在的未来数字签名等；经典密码学广泛应用于信息加密解密、数字签名、身份认证等。*安全性：量子密码学（特别是QKD）具有理论上的信息论安全或基于物理原理的可证安全；经典密码学（特别是基于传统数学难题的）在量子计算机面前可能被破解。*依赖：