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2025年大学《量子信息科学》专业题库——量子信息传感技术在水质监测中的应用

考试时间：______分钟总分：______分姓名：______

一、

请简述量子比特（qubit）与经典比特在信息存储和处理能力上的主要区别，并说明实现量子比特的几种典型物理系统。

二、

解释量子测量的基本概念。在量子传感中，非破坏性测量（或高精度测量）是如何实现的？请结合一个具体实例说明其原理。

三、

量子纠缠被认为是量子信息科学的核心特性之一。请阐述量子纠缠的基本概念，并说明它如何为量子传感技术带来超越经典传感器的潜在优势。

四、

列举三种不同的量子传感技术（例如，基于原子干涉、NV色心、量子点等），并分别说明其中一种技术用于探测某一特定水质参数（如离子浓度或浊度）的基本原理。

五、

讨论将量子传感技术应用于水质监测相较于传统传感技术的主要优势。请至少从灵敏度、抗干扰能力、实时性或选择性四个方面进行比较说明。

六、

在实际应用中，将量子传感技术部署于水质监测系统面临哪些主要的挑战或限制？请至少提出三个方面的挑战，并简要分析其原因。

七、

设想一种利用量子传感技术监测水体中特定重金属离子（例如，铅离子Pb2?）的原理性方案。请描述该方案所依据的量子传感机制，以及如何实现对目标离子的检测和定量。

八、

当前，量子传感技术在水质监测领域的应用仍处于发展阶段。请结合您对相关技术的理解，谈谈您对未来量子传感技术在水质监测方面可能的发展方向或突破点有何展望。

试卷答案

一、

区别：量子比特（qubit）可以处于0和1的叠加态，即α|0?+β|1?（α,β为复数，|α|2+|β|2=1），能存储比经典比特更多的信息；量子比特可以通过量子纠缠实现关联，多个量子比特组成的量子系统可以表达为经典系统无法表示的复杂状态。经典比特只能处于0或1的状态。

实现系统：原子/离子（如铯原子、镉离子）、量子点、超导量子比特、拓扑量子物态等。

二、

概念：量子测量是量子系统与测量仪器相互作用导致量子态发生坍缩的过程，测量结果会随机地投影到某个基本状态上。

高精度实现：利用量子干涉效应。例如，原子干涉仪通过控制原子在相互作用前后的运动状态（如利用光学场梯度使原子发生塞曼分裂），使得原子的探测概率分布与待测物理量（如磁场）相关。通过精心设计的干涉测量方案，可以最大限度地利用量子相干性，提高测量灵敏度，达到超越经典仪器的精度。

实例：压力传感，利用原子在腔内运动形成光学分子束干涉仪（OMBI），腔内压力变化会改变原子运动周期，导致干涉条纹移动，通过测量条纹移动量来确定压力。

三、

概念：量子纠缠是指两个或多个量子粒子之间存在一种特殊的关联，无论它们相距多远，测量其中一个粒子的状态会瞬时影响到另一个（或另一些）粒子的状态，这种关联不能被经典的局域实在论所解释。

潜在优势：利用纠缠可以实现经典通信无法达到的效率和安全级别（如量子密钥分发），在传感中，纠缠态可以增强相干性、提高测量精度（例如，通过并行测量或增加有效自由度），或者实现分布式传感网络，探测到单个传感器无法感知的信号。

四、

技术1：原子干涉仪（以OMBI为例）

原理：利用原子在非均匀电磁场中的运动形成分子束干涉。当原子束通过一个非均匀磁场（或电场）时，原子内部的不同能级（如超精细结构能级）会因受到不同的势能梯度而发生不同的运动偏转，导致原子束分裂并形成干涉图样。待测物理量（如重力加速度、磁场梯度、惯性力等）会改变原子在电磁场中的势能分布，从而调制干涉图样的位置或形状，通过分析干涉图样变化来探测物理量。用于水质监测时，可利用重力加速度变化探测液面倾斜或高度，利用磁场变化探测水中磁性物质。

技术2：NV色心传感器

原理：NV色心是金刚石中一种电子自旋量子态，具有长的相干时间、核磁共振响应和光学可操控性。将NV色心置于待测物理量（如磁场、电场、温度）的梯度场中，其电子自旋态会受到扰动。通过精确控制脉冲序列，进行初始化、演化、操控和测量，可以探测到NV色心对环境物理量的响应信号（如荧光强度的变化、拉曼散射谱的变化）。用于水质监测时，可通过梯度磁场探测潜艇等水下金属目标，或利用其高灵敏度探测局部磁场/电场变化相关的化学/生物标记物。

技术3：量子点传感器

原理：量子点是由少数原子组成的纳米半导体团簇，其电子能级受量子限制效应影响，对尺寸、表面态和周围环境（如温度、应力、电场、磁场、化学环境）高度敏感。通过测量量子点光学性质（如荧光强度、光谱位置、寿命）或电学性质（如电阻、电导）的变化，可以探测对应的水质参数。例如，重金属离子与量子点表面配位作用会改变其能带结构，导致荧光猝灭或红移；环境pH值变化会影响量子点表面态，进而改变其光学或电学信号。

五、

优势：

1.超高灵敏度：量子系统的量子叠加和