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(lǐng)域的研究熱點，近年來國內(nèi)外學界在量子通信研究與實踐領(lǐng)域均投入了較高力度的關(guān)注，基于此，文章簡單介紹了量子通信及其研究現(xiàn)狀，并詳細論述了量子通信在電力通信領(lǐng)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(lǐng)域的應用前景。

關(guān)鍵詞：量子通信；電力通信；傳輸能力

作為一門誕生僅20余年的新型交叉學科，量子通信本質(zhì)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(lǐng)域開展了較為深入的研究，安徽量子通信技術(shù)有限公司、中國科學技術(shù)大學合肥微尺度物質(zhì)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(shù)條件下能夠?qū)崿F(xiàn)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(tài)偵測安全攻擊，這也是量子通信在網(wǎng)絡通信、基礎(chǔ)設施、金融、國家安全等領(lǐng)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(shù)、現(xiàn)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(tài)作為信息加解密的密鑰，傳遞密鑰可立即發(fā)現(xiàn)竊聽行為，而后者則通過將粒子未知量子態(tài)傳送到另一個地方實現(xiàn)信息的傳遞，無實物量子信道使得傳輸兩端同時發(fā)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(guān)聯(lián)，物理學基本原理在其中發(fā)揮的作用不容忽視，這也是數(shù)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(lǐng)域的具體應用

2.1 量子密鑰分配技術(shù)的應用

在電力通信領(lǐng)域的量子通信應用中，量子密鑰分配技術(shù)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(jié)合了電力通信領(lǐng)域分區(qū)分域工作徹底、內(nèi)外網(wǎng)分離實現(xiàn)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(shù)不會對現(xiàn)有網(wǎng)絡拓撲造成影響。在量子密鑰分配技術(shù)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(xiàn)，電力通信領(lǐng)域保電系統(tǒng)原有高級別安全防護措施也將與量子密鑰分配技術(shù)實現(xiàn)緊密結(jié)合，量子通信將由此實現(xiàn)在電力通信領(lǐng)域的落地應用。

圖1為量子密鑰分配技術(shù)在電力通信領(lǐng)域應用的系統(tǒng)拓撲示意圖，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(tǒng)、指揮室音視頻通話屬于量子密鑰分配技術(shù)的典型應用場景，前者主要負責保電期間現(xiàn)場指揮管控、輔助決策，量子密鑰分配技術(shù)在其中的應用將實現(xiàn)現(xiàn)場指揮中心訪問通道的加密，由此機房服務器、現(xiàn)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(shù)的應用可實現(xiàn)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(wǎng)絡（Virtual Private Network，VPN）屬于量子秘鑰分配技術(shù)應用的重要構(gòu)成，前者主要負責量子密鑰分發(fā)過程，該環(huán)節(jié)涉及的指標包括誘騙態(tài)BB84協(xié)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(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(shù)已在我國多家電力企業(yè)實現(xiàn)了實踐應用探索，由此確定了電力通信領(lǐng)域量子密鑰分配技術(shù)的應用可實現(xiàn)由機器自動完成密鑰分發(fā)過程、真隨機數(shù)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(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編解碼技術(shù)的應用

近年來，我國多地開展了量子通信在智能變電站領(lǐng)域的應用探索，但在具體應用探索中研究人員發(fā)現(xiàn)，智能變電站復雜多變的電磁環(huán)境在很多時候會影響量子通信的開展并引發(fā)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(shù)的支持。智能變電站電磁環(huán)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(jié)合量子通信技術(shù)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(tǒng)、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(shù)的應用需要，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)，通過在量子通信系統(tǒng)發(fā)送端引入糾錯編碼量子線路，即可實現(xiàn)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(huán)節(jié)，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(jié)合產(chǎn)物，同時具備種群規(guī)模小特征、開發(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、較為深入應用。在電力通信領(lǐng)域的量子遺傳算法應用中，電力通信網(wǎng)路由選擇屬于該算法的應用典型，這一應用能夠?qū)㈦娏νㄐ艠I(yè)務分為高可靠寬帶實時業(yè)務、高可靠窄帶實時業(yè)務、可靠寬帶實時業(yè)務、可靠窄帶實時業(yè)務、低可靠窄帶非實時業(yè)務5類，而結(jié)合各類電力通信業(yè)務的具體需要，即可通過求解多目標多約束優(yōu)化問題實現(xiàn)量子遺傳算法的應用，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(nèi)容開展的電力通信網(wǎng)路由選擇中，需根據(jù)業(yè)務判斷通信指標需求所屬類別，并確定目標函數(shù)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(jié)合量子遺傳算法求得符合業(yè)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(shù)人員必須考慮傳統(tǒng)技術(shù)通信指標對量子通信技術(shù)應用的影響，并同時關(guān)注電力業(yè)務實際以構(gòu)建目標函數(shù)，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(yè)務特性的最優(yōu)路徑，并實現(xiàn)最短時間內(nèi)收斂到最優(yōu)解。

3 結(jié)語

綜上所述，量子通信在電力通信領(lǐng)域具備較高應用潛力，而在此基礎(chǔ)上，本文涉及的量子密鑰分配技術(shù)的應用、智能變電站量子通信糾錯編解碼技術(shù)的應用、量子遺傳算法的應用，則為電力通信領(lǐng)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(yè)必須深入調(diào)研電力信息通信業(yè)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(yè)的進一步發(fā)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(shù)提升電力系統(tǒng)二次防護安全性研究[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)中的應用探究[J].電力信息與通信技術(shù)，2017（10）：43-49.