陳杰

摘 要：作為國(guó)際量子物理、信息科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)界在量子通信研究與實(shí)踐領(lǐng)域均投入了較高力度的關(guān)注，基于此，文章簡(jiǎn)單介紹了量子通信及其研究現(xiàn)狀，并詳細(xì)論述了量子通信在電力通信領(lǐng)域的具體應(yīng)用，希望由此能夠使更多人深入了解量子通信及其在電力通信領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：量子通信；電力通信；傳輸能力

作為一門誕生僅20余年的新型交叉學(xué)科，量子通信本質(zhì)上屬于一種利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的通信方式，安全、高效屬于量子通信具備的主要特點(diǎn)，近年來(lái)我國(guó)也在量子通信領(lǐng)域開(kāi)展了較為深入的研究，安徽量子通信技術(shù)有限公司、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等開(kāi)展的量子通信研究便屬于其中的典型。

1 量子通信概述

量子通信具備無(wú)條件安全特性，這使得其在目前技術(shù)條件下能夠?qū)崿F(xiàn)絕對(duì)安全的信息傳輸，量子通信因此可通過(guò)一次一密保障信息安全，并通過(guò)量子狀態(tài)偵測(cè)安全攻擊，這也是量子通信在網(wǎng)絡(luò)通信、基礎(chǔ)設(shè)施、金融、國(guó)家安全等領(lǐng)域均具備廣闊應(yīng)用前景的原因所在。量子通信基本思想提出于20世紀(jì)80～90年代，光通信技術(shù)、現(xiàn)代物理學(xué)研究成果在其中有著較深的應(yīng)用，按照信道進(jìn)行分類，可以將量子通信分為密碼通信與隱形通信，前者主要采用量子狀態(tài)作為信息加解密的密鑰，傳遞密鑰可立即發(fā)現(xiàn)竊聽(tīng)行為，而后者則通過(guò)將粒子未知量子態(tài)傳送到另一個(gè)地方實(shí)現(xiàn)信息的傳遞，無(wú)實(shí)物量子信道使得傳輸兩端同時(shí)發(fā)生變化，量子隱形通信因此無(wú)法破譯。一次一密加密方式與量子通信的無(wú)條件安全性存在直接關(guān)聯(lián)，物理學(xué)基本原理在其中發(fā)揮的作用不容忽視，這也是數(shù)學(xué)水平、計(jì)算能力不斷提升不會(huì)影響量子通信安全性的原因[1]。

2 量子通信在電力通信領(lǐng)域的具體應(yīng)用

2.1 量子密鑰分配技術(shù)的應(yīng)用

在電力通信領(lǐng)域的量子通信應(yīng)用中，量子密鑰分配技術(shù)在重要電力通信保障中的應(yīng)用可以稱得上是其中典型，這種應(yīng)用較好結(jié)合了電力通信領(lǐng)域分區(qū)分域工作徹底、內(nèi)外網(wǎng)分離實(shí)現(xiàn)的較高通信安全實(shí)際情況，而基于成本、性能、可靠性方面的考慮則保證了量子密鑰分配技術(shù)不會(huì)對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓斐捎绊?。在量子密鑰分配技術(shù)的具體應(yīng)用中，指揮體系的音視頻通話、信息傳輸安全性保障均將得以較好實(shí)現(xiàn)，電力通信領(lǐng)域保電系統(tǒng)原有高級(jí)別安全防護(hù)措施也將與量子密鑰分配技術(shù)實(shí)現(xiàn)緊密結(jié)合，量子通信將由此實(shí)現(xiàn)在電力通信領(lǐng)域的落地應(yīng)用。

圖1為量子密鑰分配技術(shù)在電力通信領(lǐng)域應(yīng)用的系統(tǒng)拓?fù)涫疽鈭D，結(jié)合該圖可較為直觀了解量子通信在重要電力通信保障中應(yīng)用的具體思路，這一應(yīng)用涉及的典型應(yīng)用場(chǎng)景、主要功能與指標(biāo)如下所示：（1）典型應(yīng)用場(chǎng)景。保電系統(tǒng)、指揮室音視頻通話屬于量子密鑰分配技術(shù)的典型應(yīng)用場(chǎng)景，前者主要負(fù)責(zé)保電期間現(xiàn)場(chǎng)指揮管控、輔助決策，量子密鑰分配技術(shù)在其中的應(yīng)用將實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)指揮中心訪問(wèn)通道的加密，由此機(jī)房服務(wù)器、現(xiàn)場(chǎng)指揮中心工作站之間的傳輸通道傳輸安全性將得以大幅提升；而后者則主要負(fù)責(zé)各級(jí)指揮中心的視頻通話傳輸，量子密鑰分配技術(shù)的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)通話傳輸過(guò)程的加密。（2）主要功能與指標(biāo)。量子密鑰生成與管理終端、量子虛擬專用網(wǎng)絡(luò)（Virtual Private Network，VPN）屬于量子秘鑰分配技術(shù)應(yīng)用的重要構(gòu)成，前者主要負(fù)責(zé)量子密鑰分發(fā)過(guò)程，該環(huán)節(jié)涉及的指標(biāo)包括誘騙態(tài)BB84協(xié)議（量子通信標(biāo)準(zhǔn)）、裸光纖（量子信號(hào)傳輸載體）、偏振編碼（量子信號(hào)編碼方式），而量子VPN則是一種IPSec VPN技術(shù)與量子密鑰分配技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，可提供雙重密鑰屬于該產(chǎn)物的主要功能，主要指標(biāo)包括5次/s（密鑰更新頻率）、500 Mbit/s（最大密文吞吐率）、300 μs（最大時(shí)延）[2]。

量子密鑰分配技術(shù)已在我國(guó)多家電力企業(yè)實(shí)現(xiàn)了實(shí)踐應(yīng)用探索，由此確定了電力通信領(lǐng)域量子密鑰分配技術(shù)的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)由機(jī)器自動(dòng)完成密鑰分發(fā)過(guò)程、真隨機(jī)數(shù)列共享密鑰獲得、基于物理定理的兩點(diǎn)間的密鑰共享、對(duì)量子信道攻擊的自動(dòng)感知，由此即可最大程度上避免攻擊者獲得共享密鑰內(nèi)容，重要電力通信保障的整體安全程度也將大幅提升。

2.2 智能變電站量子通信糾錯(cuò)編解碼技術(shù)的應(yīng)用

近年來(lái)，我國(guó)多地開(kāi)展了量子通信在智能變電站領(lǐng)域的應(yīng)用探索，但在具體應(yīng)用探索中研究人員發(fā)現(xiàn)，智能變電站復(fù)雜多變的電磁環(huán)境在很多時(shí)候會(huì)影響量子通信的開(kāi)展并引發(fā)量子比特差錯(cuò)問(wèn)題，這類問(wèn)題的解決便需要得到智能變電站量子通信糾錯(cuò)編解碼技術(shù)的支持。智能變電站電磁環(huán)境對(duì)量子通信帶來(lái)的影響主要是由于量子相干性被破壞，而利用冗余編碼便是一種較為有效且結(jié)合量子通信技術(shù)的問(wèn)題解決措施。具體來(lái)說(shuō)，Hadamard門和量子異或門屬于研究主要涉及的量子邏輯門，而通過(guò)建立雙向全雙工的量子通信系統(tǒng)、糾錯(cuò)編碼量子線路、糾錯(cuò)解碼量子線路，即可滿足智能變電站量子通信糾錯(cuò)編解碼技術(shù)的應(yīng)用需要，圖2為智能變電站內(nèi)部雙向全雙工的量子通信系統(tǒng)示意圖。結(jié)合圖2不難發(fā)現(xiàn)，通過(guò)在量子通信系統(tǒng)發(fā)送端引入糾錯(cuò)編碼量子線路，即可實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)編碼，其中糾錯(cuò)解碼的流程可以描述為：“譯碼部分輸出→差錯(cuò)情況1→差錯(cuò)情況2→差錯(cuò)情況3→差錯(cuò)情況4→糾錯(cuò)部分輸出”，任意差錯(cuò)情況確認(rèn)將在通過(guò)量子操作后直接進(jìn)入糾錯(cuò)部分輸出環(huán)節(jié)，由此即可保證量子通信更好地服務(wù)于智能變電站通信。

2.3 量子遺傳算法的應(yīng)用

量子遺傳算法屬于量子通信與遺傳算法的結(jié)合產(chǎn)物，同時(shí)具備種群規(guī)模小特征、開(kāi)發(fā)和探索能力、較優(yōu)秀算法性能、收斂速度快速等屬于量子遺傳算法的主要特征，這也使得量子遺傳算法可在電力通信領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)較高質(zhì)量、較為深入應(yīng)用。在電力通信領(lǐng)域的量子遺傳算法應(yīng)用中，電力通信網(wǎng)路由選擇屬于該算法的應(yīng)用典型，這一應(yīng)用能夠?qū)㈦娏νㄐ艠I(yè)務(wù)分為高可靠寬帶實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、高可靠窄帶實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、可靠寬帶實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、可靠窄帶實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、低可靠窄帶非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)5類，而結(jié)合各類電力通信業(yè)務(wù)的具體需要，即可通過(guò)求解多目標(biāo)多約束優(yōu)化問(wèn)題實(shí)現(xiàn)量子遺傳算法的應(yīng)用，量子通信理念、技術(shù)也將由此較好地滲入電力通信領(lǐng)域。量子遺傳算法的應(yīng)用需圍繞量子比特編碼、量子測(cè)量、量子比特譯碼、量子變異展開(kāi)，而基于這一系列內(nèi)容開(kāi)展的電力通信網(wǎng)路由選擇中，需根據(jù)業(yè)務(wù)判斷通信指標(biāo)需求所屬類別，并確定目標(biāo)函數(shù)及可容忍時(shí)延最大值、最小可用帶寬和可容忍丟包率最大值約束條件，結(jié)合量子遺傳算法求得符合業(yè)務(wù)通信指標(biāo)要求的最佳路徑。在量子遺傳算法的具體應(yīng)用中，技術(shù)人員必須考慮傳統(tǒng)技術(shù)通信指標(biāo)對(duì)量子通信技術(shù)應(yīng)用的影響，并同時(shí)關(guān)注電力業(yè)務(wù)實(shí)際以構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)，由此量子遺傳算法的應(yīng)用便能夠快速求出滿足電力通信業(yè)務(wù)特性的最優(yōu)路徑，并實(shí)現(xiàn)最短時(shí)間內(nèi)收斂到最優(yōu)解。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，量子通信在電力通信領(lǐng)域具備較高應(yīng)用潛力，而在此基礎(chǔ)上，本文涉及的量子密鑰分配技術(shù)的應(yīng)用、智能變電站量子通信糾錯(cuò)編解碼技術(shù)的應(yīng)用、量子遺傳算法的應(yīng)用，則為電力通信領(lǐng)域的量子通信應(yīng)用提供了可行性較高的路徑建議。因此，各地電力企業(yè)必須深入調(diào)研電力信息通信業(yè)務(wù)并開(kāi)展針對(duì)性較高的量子通信實(shí)踐探索，通過(guò)凝練應(yīng)用示范驗(yàn)證成果即可為我國(guó)電力事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展提供有力支持。

[參考文獻(xiàn)]

[1]周靜，盧利鋒，雷煜卿.量子密鑰技術(shù)提升電力系統(tǒng)二次防護(hù)安全性研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2014（6）：1518-1522.

[2]倪振華，李亞麟，姜艷.量子保密通信原理及其在電網(wǎng)中的應(yīng)用探究[J].電力信息與通信技術(shù)，2017（10）：43-49.