量子通信技术在电力系统中的应用范文

1引言

量子通信是量子力学和经典通信相结合的产物，其安全性由海森堡测不准定理和不可克隆原理所保障，具有经典通信无法比拟的无条件安全性及对窃听的可检测性。电力系统通信专网，建立了“安全分区、网络专用、横向隔离、纵向认证”的网络与信息安全防御体系，但安全措施主要侧重于业务层和数据安全层面，在底层安全策略和适应未来发展方面存在局限性。由于电力数据对通信安全要求的特殊性，量子通信极有可能是确保电力通信安全的极佳选择。综上，开展量子保密通信技术研究非常有意义。本文首先对量子通信技术进行概述，接着阐述了国内外技术研究现状；最后，根据电力通信业务需求，分析量子通信在电力系统中的应用前景。

2量子通信技术概述

量子通信，广义上是指把量子态的传递，包括：量子密集编码、量子密钥分发和量子隐形传态。其中，量子密集编码用于量子计算机。量子密钥分发，在传送量子态的过程中，光子会经由光纤或自由空间被实际传送到接收方；量子隐形传态，纠缠光子对分处两地，量子态在一处消失后，在另一处被巧妙地重现，而光子本身却不被传送。量子通信，狭义上理解，是量子密钥分配或基于量子密钥分配的安全保密通信。量子密钥分发只是负责产生和分发通信需要的密钥，最终的的数据信息经由加密生成的密文，还是必须经过经典信道进行传输。在量子隐形传态中，同样也要用经典信道将测量的信息传送出去，经典信息与量子信息联合起来才能实现量子隐形传态。因此，量子通信技术除了在窃听检测和通信保密方面具有优势以外，并不能突破经典通信系统在通信速率、距离、抗干扰性能等方面的极限。

3量子通信技术国内外研究现状

量子通信具有高效率和绝对安全等特点，广泛的应用前景吸引众多国家投入人力物力。美国、日本、欧洲多国都成立了专门开展量子技术研究的机构，此外，IBM、HP、NEC、NTT等企业也纷纷加入到量子通信的研究之中。国外量子密钥分配技术专利统计显示，公司、企业申请的专利数占主导地位，科研院所其次，可以看出量子密钥分配技术具有潜在的商业化价值和应用空间。1984年，BennetC.H.和BrassardG.提出第一个量子密钥分发协议（BB84协议），揭开了量子密钥分发研究的序幕。1993年，英国国防部研究局在传输长度为10km的光纤中实现了基于BB84方案的相位编码量子密钥分发。1997年，奥地利的A.Zeilinger小组在室内首次完成量子态隐形传送的原理性实验验证。2001年，瑞士IDQuantique公司推出商用量子密钥分发系统。2004年，瑞士日内瓦大学的Gisin小组推出的“Plug&Play”光纤量子密钥协商系统光纤长度提高到67km，成为世界上首个商用的QKD系统。

国内，量子通信研究同样受到相关部门的大力支持。郭光灿小组：2004年，实现北京-天津125km光纤点对点的量子密钥分发；2007年，实现了基于波分复用的四用户量子密钥分发网络，通信距离达到42.6km；2009年，在安徽芜湖建成世界首个“量子政务网”。2005年，潘建伟小组在世界上首次实现13km自由空间的纠缠分发和量子密钥产生；2008年，实现了三用户的诱骗态量子密钥分发网络；2009年9月，世界上首个全通型量子通信网络建成，首次实现了实时语音量子保密通信。最近几十年，量子通信从理论到实验，再到实用化突破，发展迅速。

4量子通信技术在电力系统中的应用前景

电网规模的不断扩大，电网企业信息化程度日益提高，电网面临的安全风险更多、更大，迫切需要研究新的通信技术，将其应用到电力系统来。量子通信技术具备高效率和绝对安全的优势，将可能成为保护电力系统数据安全的极佳选择。而且，在我国相关的研究和实用化工作也走在世界前列，具有自主知识产权，探索量子通信技术在电力系统中的应用是非常有意义和前瞻性的工作。结合目前电力通信系统和业务系统现状，量子通信技术可以在以下方面开展应用研究：

4.1构建量子加密异地备份数据传输链路目前，各网省公司已大力开展备用调度系统和信息容灾体系的建设，并相继成立了异地数据容灾中心。为确保数据中心之间的数据保密传输，一个安全的加密系统是必需的。量子保密通信的安全性不是基于计算的复杂性，在信息保护和保密通信方面具有天然的优势。使用量子密钥分发链路，在主、备数据中心间进行密钥分发和交换，能够构建高效、安全的异地数据备份传输通道。

4.2构建核心加密通信网电力企业的电脑被攻击，可能引发用电行业的瘫痪，造成社会大面积混乱。传统的防火墙和信息过滤技术无法从根本上解决“黑客”攻击的问题，随着量子通信距离和多用户量子通信技术的突破，利用量子通信技术构建网省地重要调度机构加密通信网，在网络上任意两用户间实现量子密钥的加密通信，将能保证营销、市场、办公等重要业务的安全性。

4.3构建点对点量子加密保护通道线路保护、安稳属于电力生产一区的重要业务，对数据的实时性和安全性要求非常高。现采用的专用光纤、复用2M通道方式能保证数据的实时性，却无法保证绝对安全性。随着量子通信的快速发展，两点间的量子通信技术趋于成熟，两方量子密钥分发通信距离已经能够达到几十公里~百公里级。量子密钥分发技术，使用光量子作为保护、安稳信息的载体，将能极大地保障业务的安全性。

4.4构建加密量子交换网络电话业务是生产指令上传下达的关键工具，是电网安全正常运行的重要通信保障，目前主要采用PCM或交换机放号的方式，在承载网层面未进行安全保证。使用量子交换机实现经典通信网络的交换控制与量子交换网络的控制，可以构建高安全的量子交换网络，防止电话遭窃听和恶意攻击。

4.5应急量子通信当出现冰灾、地震、洪水等自然灾害，光缆、传输设备等电力通信基础设施受到大面积破坏时，现有电力通信网络陷入瘫痪，无法进行有效的应急抢修通信。目前，量子隐形传态技术已经获得16km的实验进展，随着关键量子器件技术的成熟，隐形传态将进入应用阶段。利用隐形传态技术，构建应急环境下的量子卫星通信系统，将对未来的应急抢修提供重要帮助。

5总结

作为量子力学和经典通信相结合的产物，量子通信具有经典通信无法比拟的无条件安全性及对窃听的可检测性。经过几十年的发展，量子通信技术逐渐从理论走向实验，从实验走向实际应用，特别是量子密钥分发技术实用化程度更高。随着科学技术的发展，电力系统信息化程度不断提高，电网的安全运营对电力通信系统安全性的依赖也日益明显。量子通信技术因其高效率和绝对安全性，将在未来电力通信系统基础设施建设方面扮演重要角色。但在应用过程中，结合电力业务需求和现有网络现状，亟需开展单光子和纠缠态制备、理想量子信道、量子通信协议、量子存储、量子探测等重要技术的进一步研究。

作者：严晓玲 江冬娜 单位：广州电力设计院