電力系統(tǒng)中量子通信的應(yīng)用

量子通信作為一門新型交叉學(xué)科是對信息通信安全一種從根本上的保障，目前已成為國際量子物理和信息科學(xué)的研究熱點(diǎn)之一。基于量子通信的信息通信及防護(hù)，具有高效、無條件安全等特點(diǎn)。文章跟蹤目前量子通信研究進(jìn)展，對國內(nèi)外量子通信應(yīng)用進(jìn)行研究，尤其在電力信息通信方面進(jìn)行深入分析和闡述。

量子通信研究及其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展

量子通信具有無條件安全特性，即在目前技術(shù)條件下可以提供絕對安全，可以通過一次一密保障信息安全，同時(shí)可以通過量子狀態(tài)偵測安全攻擊，這是傳統(tǒng)通信方式所不具備的。該特性為國家安全、基礎(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)通信、金融等領(lǐng)域提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，顯現(xiàn)出廣闊的前景和應(yīng)用價(jià)值。

近年來，量子通信已成為歐盟、美國和日本等發(fā)達(dá)國家重點(diǎn)關(guān)注的前沿科技熱點(diǎn)，國際競爭非常激烈。國外已經(jīng)建造了一系列的小規(guī)模QKD技術(shù)驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)，包括：2008年歐洲聯(lián)合建立的SECOQC網(wǎng)絡(luò)、2009年美國國防高級研究計(jì)劃署（即DARPA）建立的“國防部感興趣”的城域QKD網(wǎng)絡(luò)以及2010年日本通過與歐洲合作建立的TokyoQKDNetwork。歐盟相關(guān)機(jī)構(gòu)于2010年4月更新的量子通信技術(shù)發(fā)展路線圖——《量子信息處理和通信：歐洲研究現(xiàn)狀、愿景與目標(biāo)戰(zhàn)略報(bào)告》中指出，歐洲未來十年的量子通信目標(biāo)將實(shí)現(xiàn)基于自由空間的衛(wèi)星—地面量子通信和千公里級別的光纖量子通信。從2012年起，美國軍方已經(jīng)籌劃并安排了針對空間尺度達(dá)到5000公里量級的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的預(yù)先研究。英國財(cái)政部發(fā)布了總投資額2.7億英鎊的5年專項(xiàng)計(jì)劃，面向市場需求，將量子保密通信、量子測度、量子傳感器、量子模擬和量子計(jì)算等5個(gè)方面作為重點(diǎn)發(fā)展的量子技術(shù)。

歐洲已經(jīng)把量子通信應(yīng)用于電子政務(wù)和金融領(lǐng)域，歐洲的電信運(yùn)營商也開始引進(jìn)量子通信技術(shù)。不斷研究量子通信特性及應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)開展商業(yè)和運(yùn)營模式探索。歐洲發(fā)布了量子通信技術(shù)和商業(yè)白皮書，啟動了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。包括AT&T、Bell實(shí)驗(yàn)室、IBM、Hewlett-Packard、Siemens、Hitachi在內(nèi)的世界著名公司對量子通信技術(shù)投入了大量研發(fā)資本，并介入了產(chǎn)業(yè)化開發(fā)。瑞士IdQuantique、美國MagiQTechnologies、法國Sequrenet公司以及澳大利亞QuintessenceLabs等已有量子密碼的相關(guān)產(chǎn)品。

我國政府高度重視包括量子通信在內(nèi)的量子技術(shù)的發(fā)展。量子通信已經(jīng)被列入《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006－2020年）》，而其中的量子通信，屬于國家重點(diǎn)發(fā)展的具有引領(lǐng)新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展?jié)摿Φ那把丶夹g(shù)，已被列入國家“十二五”科技發(fā)展規(guī)劃綱要中。國家“十二五”科技發(fā)展規(guī)劃綱要指出，在信息技術(shù)領(lǐng)域要突破“光子信息處理、量子通信、量子計(jì)算等核心關(guān)鍵技術(shù)”；2013年6月20日，中國科學(xué)院研究報(bào)告，即《科技發(fā)展新態(tài)勢與面向2020年的戰(zhàn)略選擇》指出，中國在2020年左右可能產(chǎn)生的19項(xiàng)科技突破里面，量子通信（及量子計(jì)算）排在首位。

量子通信在電力行業(yè)應(yīng)用情況

2012年美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室（LOSAlamosNationalLaboratory）團(tuán)隊(duì)研究和展示了量子保密通信系統(tǒng)用于加密電網(wǎng)數(shù)據(jù)和控制指令，已開發(fā)出應(yīng)用于電力網(wǎng)絡(luò)的量子保密通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)運(yùn)行于伊利諾斯大學(xué)厄爾本香檳分校的一個(gè)可信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的電網(wǎng)（TCIPG）。2012年在加州成立的GridCOM公司，開始應(yīng)用量子保密通信技術(shù)到電力系統(tǒng)當(dāng)中，可實(shí)現(xiàn)不間斷機(jī)器到機(jī)器的服務(wù)（M2M），M2M是廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的最新安全通信與性能標(biāo)準(zhǔn)，提供“QuantumDataLockingservice”的保密通信服務(wù)。近年來，包括AT&T、Bell實(shí)驗(yàn)室、IBM、Hewlett-Packard、Siemens、Hitachi、Toshiba在內(nèi)的世界著名公司對量子通信技術(shù)投入了大量研發(fā)資本，介入了其產(chǎn)業(yè)化開發(fā)。還有瑞士IdQuantique、美國Battelle以及澳大利亞QuintessenceLabs等公司，以及美國OakRidge實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合GE公司、IDQ公司聯(lián)合開展量子通信在電網(wǎng)中的應(yīng)用項(xiàng)目。

在我國電力通信方面，中國電科院與中科大研究團(tuán)隊(duì)開展了電力量子保密通信方面科研項(xiàng)目。如“電力應(yīng)用環(huán)境QKD設(shè)備系統(tǒng)穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)技術(shù)和測試方法”項(xiàng)目，開展在電力系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境下QKD設(shè)備的安全性評估研究，針對將QKD設(shè)備應(yīng)用于電力領(lǐng)域進(jìn)行闡述和分析，通過對具備QKD功能的安全通信系統(tǒng)與傳統(tǒng)加密系統(tǒng)的安全性進(jìn)行比較，提出QKD對傳統(tǒng)加密設(shè)備的安全性增強(qiáng)策略。并從現(xiàn)有電力通信網(wǎng)絡(luò)的安全性特點(diǎn)出發(fā)，給出了電力系統(tǒng)多用戶應(yīng)用場景下的量子密鑰分配、存儲和管理機(jī)制實(shí)現(xiàn)方案［9］，并且研究了QKD裝置與電力二次防護(hù)設(shè)備相結(jié)合的有效方法。2015年，中國電科院與中科大合作開展“電力工業(yè)量子通信網(wǎng)”研發(fā)，搭建首個(gè)電力工業(yè)量子通信網(wǎng)，初步規(guī)劃為點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，在電網(wǎng)實(shí)用數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下部署量子通信設(shè)備，承載語音、視頻等業(yè)務(wù)。將采用最新的量子密鑰分發(fā)技術(shù)和應(yīng)用接入技術(shù)，提供量子安全下的數(shù)據(jù)傳輸?shù)然竟δ?，?shí)現(xiàn)全硬件的量子密鑰分發(fā)過程，利用生成的量子安全密鑰對原有電力通信網(wǎng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行加密保護(hù)。同時(shí)，開展量子保密通信電力應(yīng)用示范網(wǎng)建設(shè)。

建議根據(jù)電力通信特征開展如下工作：

1）深入調(diào)研電力信息通信業(yè)務(wù)，建立基于量子通信的信息系統(tǒng)安全生態(tài)表。調(diào)研目前在運(yùn)各個(gè)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的信息安全生態(tài)，按安全級別及緊要程度等量化安全優(yōu)先級，明確安全需求。

2）根據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用需求及支撐條件，開展業(yè)務(wù)應(yīng)用示范驗(yàn)證。根據(jù)業(yè)務(wù)梳理結(jié)果，對一些重要且獨(dú)立的信息通信系統(tǒng)采用量子技術(shù)進(jìn)行保護(hù)，開展示范性應(yīng)用，對電力通信中引入量子技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。在研發(fā)過程中，與先進(jìn)的隊(duì)伍合作，大力培養(yǎng)電力量子通信方面的人才，提高和完善量子通信技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。

3）凝練應(yīng)用示范驗(yàn)證成果，建立量子通信設(shè)備入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，推廣應(yīng)用范圍，建立電力量子通信運(yùn)維管理體系。