《电子技术应用》

量子通信技术在电力系统中的应用

2017/5/17 12:38:00

  量子通信作为一门新型交叉学科是对信息通信安全一种从根本上的保障,目前已成为国际量子物理和信息科学的研究热点之一。基于量子通信的信息通信及防护,具有高效、无条件安全等特点。文章跟踪目前量子通信研究进展,对国内外量子通信应用进行研究,尤其在电力信息通信方面进行深入分析和阐述。

  量子通信研究及其产业化进展

  量子通信具有无条件安全特性,即在目前技术条件下可以提供绝对安全,可以通过一次一密保障信息安全,同时可以通过量子状态侦测安全攻击,这是传统通信方式所不具备的。该特性为国家安全、基础设施、网络通信、金融等领域提供强有力的技术支撑,显现出广阔的前景和应用价值。

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  近年来,量子通信已成为欧盟、美国和日本等发达国家重点关注的前沿科技热点,国际竞争非常激烈。国外已经建造了一系列的小规模QKD技术验证网络,包括:2008年欧洲联合建立的SECOQC网络、2009年美国国防高级研究计划署(即DARPA)建立的“国防部感兴趣”的城域QKD网络以及2010年日本通过与欧洲合作建立的TokyoQKDNetwork。欧盟相关机构于2010年4月更新的量子通信技术发展路线图——《量子信息处理和通信:欧洲研究现状、愿景与目标战略报告》中指出,欧洲未来十年的量子通信目标将实现基于自由空间的卫星—地面量子通信和千公里级别的光纤量子通信。从2012年起,美国军方已经筹划并安排了针对空间尺度达到5000公里量级的广域量子通信网络技术的预先研究。英国财政部发布了总投资额2.7亿英镑的5年专项计划,面向市场需求,将量子保密通信、量子测度、量子传感器、量子模拟和量子计算等5个方面作为重点发展的量子技术。

  欧洲已经把量子通信应用于电子政务和金融领域,欧洲的电信运营商也开始引进量子通信技术。不断研究量子通信特性及应用领域,同时开展商业和运营模式探索。欧洲发布了量子通信技术和商业白皮书,启动了技术标准化进程。包括AT&T、Bell实验室、IBM、Hewlett-Packard、Siemens、Hitachi在内的世界著名公司对量子通信技术投入了大量研发资本,并介入了产业化开发。瑞士IdQuantique、美国MagiQTechnologies、法国Sequrenet公司以及澳大利亚QuintessenceLabs等已有量子密码的相关产品。

  我国政府高度重视包括量子通信在内的量子技术的发展。量子通信已经被列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》,而其中的量子通信,属于国家重点发展的具有引领新兴产业发展潜力的前沿技术,已被列入国家“十二五”科技发展规划纲要中。国家“十二五”科技发展规划纲要指出,在信息技术领域要突破“光子信息处理、量子通信、量子计算等核心关键技术”;2013年6月20日,中国科学院研究报告,即《科技发展新态势与面向2020年的战略选择》指出,中国在2020年左右可能产生的19项科技突破里面,量子通信(及量子计算)排在首位。

  量子通信在电力行业应用情况

  2012年美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(LOSAlamosNationalLaboratory)团队研究和展示了量子保密通信系统用于加密电网数据和控制指令,已开发出应用于电力网络的量子保密通信系统,该系统运行于伊利诺斯大学厄尔本香槟分校的一个可信网络基础设施的电网(TCIPG)。2012年在加州成立的GridCOM公司,开始应用量子保密通信技术到电力系统当中,可实现不间断机器到机器的服务(M2M),M2M是广泛应用于电力系统的最新安全通信与性能标准,提供“QuantumDataLockingservice”的保密通信服务。近年来,包括AT&T、Bell实验室、IBM、Hewlett-Packard、Siemens、Hitachi、Toshiba在内的世界著名公司对量子通信技术投入了大量研发资本,介入了其产业化开发。还有瑞士IdQuantique、美国Battelle以及澳大利亚QuintessenceLabs等公司,以及美国OakRidge实验室联合GE公司、IDQ公司联合开展量子通信在电网中的应用项目。

  在我国电力通信方面,中国电科院与中科大研究团队开展了电力量子保密通信方面科研项目。如“电力应用环境QKD设备系统稳定性实现技术和测试方法”项目,开展在电力系统应用环境下QKD设备的安全性评估研究,针对将QKD设备应用于电力领域进行阐述和分析,通过对具备QKD功能的安全通信系统与传统加密系统的安全性进行比较,提出QKD对传统加密设备的安全性增强策略。并从现有电力通信网络的安全性特点出发,给出了电力系统多用户应用场景下的量子密钥分配、存储和管理机制实现方案[9],并且研究了QKD装置与电力二次防护设备相结合的有效方法。2015年,中国电科院与中科大合作开展“电力工业量子通信网”研发,搭建首个电力工业量子通信网,初步规划为点对点网络,在电网实用数据传输网络环境下部署量子通信设备,承载语音、视频等业务。将采用最新的量子密钥分发技术和应用接入技术,提供量子安全下的数据传输等基本功能,实现全硬件的量子密钥分发过程,利用生成的量子安全密钥对原有电力通信网传输的数据进行加密保护。同时,开展量子保密通信电力应用示范网建设。

  建议根据电力通信特征开展如下工作:

  1)深入调研电力信息通信业务,建立基于量子通信的信息系统安全生态表。调研目前在运各个业务应用系统的信息安全生态,按安全级别及紧要程度等量化安全优先级,明确安全需求。

  2)根据业务应用需求及支撑条件,开展业务应用示范验证。根据业务梳理结果,对一些重要且独立的信息通信系统采用量子技术进行保护,开展示范性应用,对电力通信中引入量子技术进行验证。在研发过程中,与先进的队伍合作,大力培养电力量子通信方面的人才,提高和完善量子通信技术在电力系统中的应用。

  3)凝练应用示范验证成果,建立量子通信设备入网标准、规范,推广应用范围,建立电力量子通信运维管理体系。


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