2025年大学《量子信息科学》专业题库—— 量子计算的理论研究与应用.docxVIP

2025年大学《量子信息科学》专业题库——量子计算的理论研究与应用

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.下列哪个不是量子比特区别于经典比特的关键特性？

A.叠加性

B.量子隧穿

C.纠缠性

D.可克隆性

2.在量子计算模型中，实现量子比特之间相互作用的基本单元是？

A.量子测量装置

B.量子门

C.量子线路

D.量子退火器

3.量子算法Shor算法的主要突破在于能够高效解决什么经典难题？

A.大整数分解问题

B.哈密顿路径问题

C.旅行商问题

D.博弈论中的囚徒困境问题

4.以下哪种物理系统是目前实现量子比特的主流方案之一？

A.中子干涉仪

B.磁共振成像（MRI）

C.离子阱

D.普通计算机硬盘

5.量子纠错理论中，利用多个物理量子比特来编码一个逻辑量子比特，其主要目的是什么？

A.提高计算速度

B.实现量子隐形传态

C.抵抗环境噪声和退相干，保护量子信息

D.增加量子比特的数量

6.量子退火算法通常被归类为求解哪一类问题的近似方法？

A.优化问题

B.判定问题

C.通信问题

D.模拟问题

7.量子计算在材料科学领域的主要潜在应用是？

A.实现超高速通信

B.设计新型催化剂

C.破解现有公钥密码体系

D.自动驾驶车辆导航

8.以下哪项不是量子计算相较于经典计算在理论上的潜在优势？

A.可并行性

B.存储密度更高

C.计算复杂度更低（对特定问题）

D.量子叠加带来的指数级能力

9.量子密钥分发（QKD）利用量子力学哪个基本原理来保证密钥传输的安全性？

A.量子不可克隆定理

B.海森堡不确定性原理

C.量子纠缠

D.量子隧穿效应

10.将经典算法（如快速傅里叶变换FFT）翻译成量子算法的过程，称为？

A.量子态制备

B.量子线路设计

C.量子编译

D.量子优化

二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填在横线上）

1.量子比特（Qubit）的状态可以用一个二维复数向量_______来表示。

2.实现量子比特之间逻辑运算的基本操作称为_______。

3.能够保证一个量子态在演化过程中保持不变的量子门称为_______。

4.“量子随机行走”是模拟量子系统动态行为的一种重要方法，它在某些问题上可能比经典随机行走具有更好的性能。

5.当前实现量子计算的主流物理平台包括超导量子比特、_______量子比特和光量子比特等。

三、简答题（每小题5分，共20分）

1.简述量子叠加态的概念及其与经典比特的区别。

2.解释什么是量子纠缠，并举例说明其“非定域性”特征。

3.简要说明量子退相干对量子计算的主要威胁。

4.简述量子计算在药物研发领域可能的应用优势。

四、分析题（每小题10分，共30分）

1.简要分析Grover算法在有哪些信誉好的足球投注网站问题上的优势，并与经典有哪些信誉好的足球投注网站算法进行比较。

2.简述表面码（SurfaceCode）的基本工作原理，以及它如何实现量子纠错。

3.阐述量子计算在解决特定优化问题（如旅行商问题）时可能面临的挑战，以及目前的一些研究思路。

五、论述题（15分）

结合当前研究进展，论述量子计算在人工智能（机器学习）领域可能带来的变革性影响，并探讨其面临的主要挑战。

试卷答案

一、选择题

1.D

2.B

3.A

4.C

5.C

6.A

7.B

8.B

9.A

10.B

二、填空题

1.|ψ?

2.量子门

3.稳定子门

4.量子随机行走

5.离子阱

三、简答题

1.解析思路：首先定义量子叠加态，即一个量子比特可以同时处于0和1的线性组合状态，如α|0?+β|1?（α,β为复数，|α|2+|β|2=1）。其次，对比经典比特，经典比特在测量前必定处于0或1的确定状态，而非多种状态的叠加。强调叠加态的“同时性”和“概率性”是关键。

2.解析思路：定义量子纠缠，即两个或多个量子比特之间存在一种关联，使得它们的状态不能独立描述，即使它们相隔遥远。举例，如贝尔态|Φ??=(|00?+|11?)/√2，测量其中一个量子比特的状态会瞬间决定另一个量子比特的状态。解释非定域性时，可指出爱因斯坦称