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1引言

量子通信是量子力學(xué)和經(jīng)典通信相結(jié)合的產(chǎn)物，其安全性由海森堡測(cè)不準(zhǔn)定理和不可克隆原理所保障，具有經(jīng)典通信無(wú)法比擬的無(wú)條件安全性及對(duì)竊聽(tīng)的可檢測(cè)性。電力系統(tǒng)通信專(zhuān)網(wǎng)，建立了“安全分區(qū)、網(wǎng)絡(luò)專(zhuān)用、橫向隔離、縱向認(rèn)證”的網(wǎng)絡(luò)與信息安全防御體系，但安全措施主要側(cè)重于業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)安全層面，在底層安全策略和適應(yīng)未來(lái)發(fā)展方面存在局限性。由于電力數(shù)據(jù)對(duì)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(kāi)展量子保密通信技術(shù)研究非常有意義。本文首先對(duì)量子通信技術(shù)進(jìn)行概述，接著闡述了國(guó)內(nèi)外技術(shù)研究現(xiàn)狀；最后，根據(jù)電力通信業(yè)務(wù)需求，分析量子通信在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用前景。

2量子通信技術(shù)概述

量子通信，廣義上是指把量子態(tài)的傳遞，包括：量子密集編碼、量子密鑰分發(fā)和量子隱形傳態(tài)。其中，量子密集編碼用于量子計(jì)算機(jī)。量子密鑰分發(fā)，在傳送量子態(tài)的過(guò)程中，光子會(huì)經(jīng)由光纖或自由空間被實(shí)際傳送到接收方；量子隱形傳態(tài)，糾纏光子對(duì)分處兩地，量子態(tài)在一處消失后，在另一處被巧妙地重現(xiàn)，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(fā)只是負(fù)責(zé)產(chǎn)生和分發(fā)通信需要的密鑰，最終的的數(shù)據(jù)信息經(jīng)由加密生成的密文，還是必須經(jīng)過(guò)經(jīng)典信道進(jìn)行傳輸。在量子隱形傳態(tài)中，同樣也要用經(jīng)典信道將測(cè)量的信息傳送出去，經(jīng)典信息與量子信息聯(lián)合起來(lái)才能實(shí)現(xiàn)量子隱形傳態(tài)。因此，量子通信技術(shù)除了在竊聽(tīng)檢測(cè)和通信保密方面具有優(yōu)勢(shì)以外，并不能突破經(jīng)典通信系統(tǒng)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(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

量子通信具有高效率和絕對(duì)安全等特點(diǎn)，廣泛的應(yīng)用前景吸引眾多國(guó)家投入人力物力。美國(guó)、日本、歐洲多國(guó)都成立了專(zhuān)門(mén)開(kāi)展量子技術(shù)研究的機(jī)構(gòu)，此外，IBM、HP、NEC、NTT等企業(yè)也紛紛加入到量子通信的研究之中。國(guó)外量子密鑰分配技術(shù)專(zhuān)利統(tǒng)計(jì)顯示，公司、企業(yè)申請(qǐng)的專(zhuān)利數(shù)占主導(dǎo)地位，科研院所其次，可以看出量子密鑰分配技術(shù)具有潛在的商業(yè)化價(jià)值和應(yīng)用空間。1984年，BennetC.H.和BrassardG.提出第一個(gè)量子密鑰分發(fā)協(xié)議（BB84協(xié)議），揭開(kāi)了量子密鑰分發(fā)研究的序幕。1993年，英國(guó)國(guó)防部研究局在傳輸長(zhǎng)度為10km的光纖中實(shí)現(xiàn)了基于BB84方案的相位編碼量子密鑰分發(fā)。1997年，奧地利的A.Zeilinger小組在室內(nèi)首次完成量子態(tài)隱形傳送的原理性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。2001年，瑞士IDQuantique公司推出商用量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)。2004年，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)的Gisin小組推出的“Plug&Play”光纖量子密鑰協(xié)商系統(tǒng)光纖長(zhǎng)度提高到67km，成為世界上首個(gè)商用的QKD系統(tǒng)。

國(guó)內(nèi)，量子通信研究同樣受到相關(guān)部門(mén)的大力支持。郭光燦小組：2004年，實(shí)現(xiàn)北京-天津125km光纖點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的量子密鑰分發(fā)；2007年，實(shí)現(xiàn)了基于波分復(fù)用的四用戶量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，通信距離達(dá)到42.6km；2009年，在安徽蕪湖建成世界首個(gè)“量子政務(wù)網(wǎng)”。2005年，潘建偉小組在世界上首次實(shí)現(xiàn)13km自由空間的糾纏分發(fā)和量子密鑰產(chǎn)生；2008年，實(shí)現(xiàn)了三用戶的誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)；2009年9月，世界上首個(gè)全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)建成，首次實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)語(yǔ)音量子保密通信。最近幾十年，量子通信從理論到實(shí)驗(yàn)，再到實(shí)用化突破，發(fā)展迅速。

4量子通信技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用前景

電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電網(wǎng)企業(yè)信息化程度日益提高，電網(wǎng)面臨的安全風(fēng)險(xiǎn)更多、更大，迫切需要研究新的通信技術(shù)，將其應(yīng)用到電力系統(tǒng)來(lái)。量子通信技術(shù)具備高效率和絕對(duì)安全的優(yōu)勢(shì)，將可能成為保護(hù)電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全的極佳選擇。而且，在我國(guó)相關(guān)的研究和實(shí)用化工作也走在世界前列，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，探索量子通信技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用是非常有意義和前瞻性的工作。結(jié)合目前電力通信系統(tǒng)和業(yè)務(wù)系統(tǒng)現(xiàn)狀，量子通信技術(shù)可以在以下方面開(kāi)展應(yīng)用研究：

4.1構(gòu)建量子加密異地備份數(shù)據(jù)傳輸鏈路目前，各網(wǎng)省公司已大力開(kāi)展備用調(diào)度系統(tǒng)和信息容災(zāi)體系的建設(shè)，并相繼成立了異地?cái)?shù)據(jù)容災(zāi)中心。為確保數(shù)據(jù)中心之間的數(shù)據(jù)保密傳輸，一個(gè)安全的加密系統(tǒng)是必需的。量子保密通信的安全性不是基于計(jì)算的復(fù)雜性，在信息保護(hù)和保密通信方面具有天然的優(yōu)勢(shì)。使用量子密鑰分發(fā)鏈路，在主、備數(shù)據(jù)中心間進(jìn)行密鑰分發(fā)和交換，能夠構(gòu)建高效、安全的異地?cái)?shù)據(jù)備份傳輸通道。

4.2構(gòu)建核心加密通信網(wǎng)電力企業(yè)的電腦被攻擊，可能引發(fā)用電行業(yè)的癱瘓，造成社會(huì)大面積混亂。傳統(tǒng)的防火墻和信息過(guò)濾技術(shù)無(wú)法從根本上解決“黑客”攻擊的問(wèn)題，隨著量子通信距離和多用戶量子通信技術(shù)的突破，利用量子通信技術(shù)構(gòu)建網(wǎng)省地重要調(diào)度機(jī)構(gòu)加密通信網(wǎng)，在網(wǎng)絡(luò)上任意兩用戶間實(shí)現(xiàn)量子密鑰的加密通信，將能保證營(yíng)銷(xiāo)、市場(chǎng)、辦公等重要業(yè)務(wù)的安全性。

4.3構(gòu)建點(diǎn)對(duì)點(diǎn)量子加密保護(hù)通道線路保護(hù)、安穩(wěn)屬于電力生產(chǎn)一區(qū)的重要業(yè)務(wù)，對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和安全性要求非常高。現(xiàn)采用的專(zhuān)用光纖、復(fù)用2M通道方式能保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，卻無(wú)法保證絕對(duì)安全性。隨著量子通信的快速發(fā)展，兩點(diǎn)間的量子通信技術(shù)趨于成熟，兩方量子密鑰分發(fā)通信距離已經(jīng)能夠達(dá)到幾十公里~百公里級(jí)。量子密鑰分發(fā)技術(shù)，使用光量子作為保護(hù)、安穩(wěn)信息的載體，將能極大地保障業(yè)務(wù)的安全性。

4.4構(gòu)建加密量子交換網(wǎng)絡(luò)電話業(yè)務(wù)是生產(chǎn)指令上傳下達(dá)的關(guān)鍵工具，是電網(wǎng)安全正常運(yùn)行的重要通信保障，目前主要采用PCM或交換機(jī)放號(hào)的方式，在承載網(wǎng)層面未進(jìn)行安全保證。使用量子交換機(jī)實(shí)現(xiàn)經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)的交換控制與量子交換網(wǎng)絡(luò)的控制，可以構(gòu)建高安全的量子交換網(wǎng)絡(luò)，防止電話遭竊聽(tīng)和惡意攻擊。

4.5應(yīng)急量子通信當(dāng)出現(xiàn)冰災(zāi)、地震、洪水等自然災(zāi)害，光纜、傳輸設(shè)備等電力通信基礎(chǔ)設(shè)施受到大面積破壞時(shí)，現(xiàn)有電力通信網(wǎng)絡(luò)陷入癱瘓，無(wú)法進(jìn)行有效的應(yīng)急搶修通信。目前，量子隱形傳態(tài)技術(shù)已經(jīng)獲得16km的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展，隨著關(guān)鍵量子器件技術(shù)的成熟，隱形傳態(tài)將進(jìn)入應(yīng)用階段。利用隱形傳態(tài)技術(shù)，構(gòu)建應(yīng)急環(huán)境下的量子衛(wèi)星通信系統(tǒng)，將對(duì)未來(lái)的應(yīng)急搶修提供重要幫助。

5總結(jié)

作為量子力學(xué)和經(jīng)典通信相結(jié)合的產(chǎn)物，量子通信具有經(jīng)典通信無(wú)法比擬的無(wú)條件安全性及對(duì)竊聽(tīng)的可檢測(cè)性。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，量子通信技術(shù)逐漸從理論走向?qū)嶒?yàn)，從實(shí)驗(yàn)走向?qū)嶋H應(yīng)用，特別是量子密鑰分發(fā)技術(shù)實(shí)用化程度更高。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)信息化程度不斷提高，電網(wǎng)的安全運(yùn)營(yíng)對(duì)電力通信系統(tǒng)安全性的依賴也日益明顯。量子通信技術(shù)因其高效率和絕對(duì)安全性，將在未來(lái)電力通信系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面扮演重要角色。但在應(yīng)用過(guò)程中，結(jié)合電力業(yè)務(wù)需求和現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀，亟需開(kāi)展單光子和糾纏態(tài)制備、理想量子信道、量子通信協(xié)議、量子存儲(chǔ)、量子探測(cè)等重要技術(shù)的進(jìn)一步研究。

作者：嚴(yán)曉玲 江冬娜 單位：廣州電力設(shè)計(jì)院