量子通信及其在電力通信中的應用分析

陳杰

摘 要：作為國際量子物理、信息科學領域的研究熱點，近年來國內外學界在量子通信研究與實踐領域均投入了較高力度的關注，基于此，文章簡單介紹了量子通信及其研究現狀，并詳細論述了量子通信在電力通信領域的具體應用，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域的應用前景。

關鍵詞：量子通信；電力通信；傳輸能力

作為一門誕生僅20余年的新型交叉學科，量子通信本質上屬于一種利用量子糾纏效應進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，近年來我國也在量子通信領域開展了較為深入的研究，安徽量子通信技術有限公司、中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室等開展的量子通信研究便屬于其中的典型。

1 量子通信概述

量子通信具備無條件安全特性，這使得其在目前技術條件下能夠實現絕對安全的信息傳輸，量子通信因此可通過一次一密保障信息安全，并通過量子狀態偵測安全攻擊，這也是量子通信在網絡通信、基礎設施、金融、國家安全等領域均具備廣闊應用前景的原因所在。量子通信基本思想提出于20世紀80～90年代，光通信技術、現代物理學研究成果在其中有著較深的應用，按照信道進行分類，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作為信息加解密的密鑰，傳遞密鑰可立即發現竊聽行為，而后者則通過將粒子未知量子態傳送到另一個地方實現信息的傳遞，無實物量子信道使得傳輸兩端同時發生變化，量子隱形通信因此無法破譯。一次一密加密方式與量子通信的無條件安全性存在直接關聯，物理學基本原理在其中發揮的作用不容忽視，這也是數學水平、計算能力不斷提升不會影響量子通信安全性的原因[1]。

2 量子通信在電力通信領域的具體應用

2.1 量子密鑰分配技術的應用

在電力通信領域的量子通信應用中，量子密鑰分配技術在重要電力通信保障中的應用可以稱得上是其中典型，這種應用較好結合了電力通信領域分區分域工作徹底、內外網分離實現的較高通信安全實際情況，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不會對現有網絡拓撲造成影響。在量子密鑰分配技術的具體應用中，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現，電力通信領域保電系統原有高級別安全防護措施也將與量子密鑰分配技術實現緊密結合，量子通信將由此實現在電力通信領域的落地應用。

圖1為量子密鑰分配技術在電力通信領域應用的系統拓撲示意圖，結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用的具體思路，這一應用涉及的典型應用場景、主要功能與指標如下所示：（1）典型應用場景。保電系統、指揮室音視頻通話屬于量子密鑰分配技術的典型應用場景，前者主要負責保電期間現場指揮管控、輔助決策，量子密鑰分配技術在其中的應用將實現現場指揮中心訪問通道的加密，由此機房服務器、現場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；而后者則主要負責各級指揮中心的視頻通話傳輸，量子密鑰分配技術的應用可實現通話傳輸過程的加密。（2）主要功能與指標。量子密鑰生成與管理終端、量子虛擬專用網絡（Virtual Private Network，VPN）屬于量子秘鑰分配技術應用的重要構成，前者主要負責量子密鑰分發過程，該環節涉及的指標包括誘騙態BB84協議（量子通信標準）、裸光纖（量子信號傳輸載體）、偏振編碼（量子信號編碼方式），而量子VPN則是一種IPSec VPN技術與量子密鑰分配技術相結合的產物，可提供雙重密鑰屬于該產物的主要功能，主要指標包括5次/s（密鑰更新頻率）、500 Mbit/s（最大密文吞吐率）、300 μs（最大時延）[2]。

量子密鑰分配技術已在我國多家電力企業實現了實踐應用探索，由此確定了電力通信領域量子密鑰分配技術的應用可實現由機器自動完成密鑰分發過程、真隨機數列共享密鑰獲得、基于物理定理的兩點間的密鑰共享、對量子信道攻擊的自動感知，由此即可最大程度上避免攻擊者獲得共享密鑰內容，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編解碼技術的應用

近年來，我國多地開展了量子通信在智能變電站領域的應用探索，但在具體應用探索中研究人員發現，智能變電站復雜多變的電磁環境在很多時候會影響量子通信的開展并引發量子比特差錯問題，這類問題的解決便需要得到智能變電站量子通信糾錯編解碼技術的支持。智能變電站電磁環境對量子通信帶來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合量子通信技術的問題解決措施。具體來說，Hadamard門和量子異或門屬于研究主要涉及的量子邏輯門，而通過建立雙向全雙工的量子通信系統、糾錯編碼量子線路、糾錯解碼量子線路，即可滿足智能變電站量子通信糾錯編解碼技術的應用需要，圖2為智能變電站內部雙向全雙工的量子通信系統示意圖。結合圖2不難發現，通過在量子通信系統發送端引入糾錯編碼量子線路，即可實現糾錯編碼，其中糾錯解碼的流程可以描述為：“譯碼部分輸出→差錯情況1→差錯情況2→差錯情況3→差錯情況4→糾錯部分輸出”，任意差錯情況確認將在通過量子操作后直接進入糾錯部分輸出環節，由此即可保證量子通信更好地服務于智能變電站通信。

2.3 量子遺傳算法的應用

量子遺傳算法屬于量子通信與遺傳算法的結合產物，同時具備種群規模小特征、開發和探索能力、較優秀算法性能、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域實現較高質量、較為深入應用。在電力通信領域的量子遺傳算法應用中，電力通信網路由選擇屬于該算法的應用典型，這一應用能夠將電力通信業務分為高可靠寬帶實時業務、高可靠窄帶實時業務、可靠寬帶實時業務、可靠窄帶實時業務、低可靠窄帶非實時業務5類，而結合各類電力通信業務的具體需要，即可通過求解多目標多約束優化問題實現量子遺傳算法的應用，量子通信理念、技術也將由此較好地滲入電力通信領域。量子遺傳算法的應用需圍繞量子比特編碼、量子測量、量子比特譯碼、量子變異展開，而基于這一系列內容開展的電力通信網路由選擇中，需根據業務判斷通信指標需求所屬類別，并確定目標函數及可容忍時延最大值、最小可用帶寬和可容忍丟包率最大值約束條件，結合量子遺傳算法求得符合業務通信指標要求的最佳路徑。在量子遺傳算法的具體應用中，技術人員必須考慮傳統技術通信指標對量子通信技術應用的影響，并同時關注電力業務實際以構建目標函數，由此量子遺傳算法的應用便能夠快速求出滿足電力通信業務特性的最優路徑，并實現最短時間內收斂到最優解。

3 結語

綜上所述，量子通信在電力通信領域具備較高應用潛力，而在此基礎上，本文涉及的量子密鑰分配技術的應用、智能變電站量子通信糾錯編解碼技術的應用、量子遺傳算法的應用，則為電力通信領域的量子通信應用提供了可行性較高的路徑建議。因此，各地電力企業必須深入調研電力信息通信業務并開展針對性較高的量子通信實踐探索，通過凝練應用示范驗證成果即可為我國電力事業的進一步發展提供有力支持。

[參考文獻]

[1]周靜，盧利鋒，雷煜卿.量子密鑰技術提升電力系統二次防護安全性研究[J].電網技術，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中的應用探究[J].電力信息與通信技術，2017（10）：43-49.