量子通信技術在電力系統中的應用范文

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1引言

量子通信是量子力學和經典通信相結合的產物，其安全性由海森堡測不準定理和不可克隆原理所保障，具有經典通信無法比擬的無條件安全性及對竊聽的可檢測性。電力系統通信專網，建立了“安全分區、網絡專用、橫向隔離、縱向認證”的網絡與信息安全防御體系，但安全措施主要側重于業務層和數據安全層面，在底層安全策略和適應未來發展方面存在局限性。由于電力數據對通信安全要求的特殊性，量子通信極有可能是確保電力通信安全的極佳選擇。綜上，開展量子保密通信技術研究非常有意義。本文首先對量子通信技術進行概述，接著闡述了國內外技術研究現狀；最后，根據電力通信業務需求，分析量子通信在電力系統中的應用前景。

2量子通信技術概述

量子通信，廣義上是指把量子態的傳遞，包括：量子密集編碼、量子密鑰分發和量子隱形傳態。其中，量子密集編碼用于量子計算機。量子密鑰分發，在傳送量子態的過程中，光子會經由光纖或自由空間被實際傳送到接收方；量子隱形傳態，糾纏光子對分處兩地，量子態在一處消失后，在另一處被巧妙地重現，而光子本身卻不被傳送。量子通信，狹義上理解，是量子密鑰分配或基于量子密鑰分配的安全保密通信。量子密鑰分發只是負責產生和分發通信需要的密鑰，最終的的數據信息經由加密生成的密文，還是必須經過經典信道進行傳輸。在量子隱形傳態中，同樣也要用經典信道將測量的信息傳送出去，經典信息與量子信息聯合起來才能實現量子隱形傳態。因此，量子通信技術除了在竊聽檢測和通信保密方面具有優勢以外，并不能突破經典通信系統在通信速率、距離、抗干擾性能等方面的極限。

3量子通信技術國內外研究現狀

量子通信具有高效率和絕對安全等特點，廣泛的應用前景吸引眾多國家投入人力物力。美國、日本、歐洲多國都成立了專門開展量子技術研究的機構，此外，IBM、HP、NEC、NTT等企業也紛紛加入到量子通信的研究之中。國外量子密鑰分配技術專利統計顯示，公司、企業申請的專利數占主導地位，科研院所其次，可以看出量子密鑰分配技術具有潛在的商業化價值和應用空間。1984年，BennetC.H.和BrassardG.提出第一個量子密鑰分發協議（BB84協議），揭開了量子密鑰分發研究的序幕。1993年，英國國防部研究局在傳輸長度為10km的光纖中實現了基于BB84方案的相位編碼量子密鑰分發。1997年，奧地利的A.Zeilinger小組在室內首次完成量子態隱形傳送的原理性實驗驗證。2001年，瑞士IDQuantique公司推出商用量子密鑰分發系統。2004年，瑞士日內瓦大學的Gisin小組推出的“Plug&Play”光纖量子密鑰協商系統光纖長度提高到67km，成為世界上首個商用的QKD系統。

國內，量子通信研究同樣受到相關部門的大力支持。郭光燦小組：2004年，實現北京-天津125km光纖點對點的量子密鑰分發；2007年，實現了基于波分復用的四用戶量子密鑰分發網絡，通信距離達到42.6km；2009年，在安徽蕪湖建成世界首個“量子政務網”。2005年，潘建偉小組在世界上首次實現13km自由空間的糾纏分發和量子密鑰產生；2008年，實現了三用戶的誘騙態量子密鑰分發網絡；2009年9月，世界上首個全通型量子通信網絡建成，首次實現了實時語音量子保密通信。最近幾十年，量子通信從理論到實驗，再到實用化突破，發展迅速。

4量子通信技術在電力系統中的應用前景

電網規模的不斷擴大，電網企業信息化程度日益提高，電網面臨的安全風險更多、更大，迫切需要研究新的通信技術，將其應用到電力系統來。量子通信技術具備高效率和絕對安全的優勢，將可能成為保護電力系統數據安全的極佳選擇。而且，在我國相關的研究和實用化工作也走在世界前列，具有自主知識產權，探索量子通信技術在電力系統中的應用是非常有意義和前瞻性的工作。結合目前電力通信系統和業務系統現狀，量子通信技術可以在以下方面開展應用研究：

4.1構建量子加密異地備份數據傳輸鏈路目前，各網省公司已大力開展備用調度系統和信息容災體系的建設，并相繼成立了異地數據容災中心。為確保數據中心之間的數據保密傳輸，一個安全的加密系統是必需的。量子保密通信的安全性不是基于計算的復雜性，在信息保護和保密通信方面具有天然的優勢。使用量子密鑰分發鏈路，在主、備數據中心間進行密鑰分發和交換，能夠構建高效、安全的異地數據備份傳輸通道。

4.2構建核心加密通信網電力企業的電腦被攻擊，可能引發用電行業的癱瘓，造成社會大面積混亂。傳統的防火墻和信息過濾技術無法從根本上解決“黑客”攻擊的問題，隨著量子通信距離和多用戶量子通信技術的突破，利用量子通信技術構建網省地重要調度機構加密通信網，在網絡上任意兩用戶間實現量子密鑰的加密通信，將能保證營銷、市場、辦公等重要業務的安全性。

4.3構建點對點量子加密保護通道線路保護、安穩屬于電力生產一區的重要業務，對數據的實時性和安全性要求非常高。現采用的專用光纖、復用2M通道方式能保證數據的實時性，卻無法保證絕對安全性。隨著量子通信的快速發展，兩點間的量子通信技術趨于成熟，兩方量子密鑰分發通信距離已經能夠達到幾十公里~百公里級。量子密鑰分發技術，使用光量子作為保護、安穩信息的載體，將能極大地保障業務的安全性。

4.4構建加密量子交換網絡電話業務是生產指令上傳下達的關鍵工具，是電網安全正常運行的重要通信保障，目前主要采用PCM或交換機放號的方式，在承載網層面未進行安全保證。使用量子交換機實現經典通信網絡的交換控制與量子交換網絡的控制，可以構建高安全的量子交換網絡，防止電話遭竊聽和惡意攻擊。

4.5應急量子通信當出現冰災、地震、洪水等自然災害，光纜、傳輸設備等電力通信基礎設施受到大面積破壞時，現有電力通信網絡陷入癱瘓，無法進行有效的應急搶修通信。目前，量子隱形傳態技術已經獲得16km的實驗進展，隨著關鍵量子器件技術的成熟，隱形傳態將進入應用階段。利用隱形傳態技術，構建應急環境下的量子衛星通信系統，將對未來的應急搶修提供重要幫助。

5總結

作為量子力學和經典通信相結合的產物，量子通信具有經典通信無法比擬的無條件安全性及對竊聽的可檢測性。經過幾十年的發展，量子通信技術逐漸從理論走向實驗，從實驗走向實際應用，特別是量子密鑰分發技術實用化程度更高。隨著科學技術的發展，電力系統信息化程度不斷提高，電網的安全運營對電力通信系統安全性的依賴也日益明顯。量子通信技術因其高效率和絕對安全性，將在未來電力通信系統基礎設施建設方面扮演重要角色。但在應用過程中，結合電力業務需求和現有網絡現狀，亟需開展單光子和糾纏態制備、理想量子信道、量子通信協議、量子存儲、量子探測等重要技術的進一步研究。

作者：嚴曉玲 江冬娜 單位：廣州電力設計院