量子通信及其在电力通信中的应用分析

陈杰

摘 要：作为国际量子物理、信息科学领域的研究热点，近年来国内外学界在量子通信研究与实践领域均投入了较高力度的关注，基于此，文章简单介绍了量子通信及其研究现状，并详细论述了量子通信在电力通信领域的具体应用，希望由此能够使更多人深入了解量子通信及其在电力通信领域的应用前景。

关键词：量子通信；电力通信；传输能力

作为一门诞生仅20余年的新型交叉学科，量子通信本质上属于一种利用量子纠缠效应进行信息传递的通信方式，安全、高效属于量子通信具备的主要特点，近年来我国也在量子通信领域开展了较为深入的研究，安徽量子通信技术有限公司、中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室等开展的量子通信研究便属于其中的典型。

1 量子通信概述

量子通信具备无条件安全特性，这使得其在目前技术条件下能够实现绝对安全的信息传输，量子通信因此可通过一次一密保障信息安全，并通过量子状态侦测安全攻击，这也是量子通信在网络通信、基础设施、金融、国家安全等领域均具备广阔应用前景的原因所在。量子通信基本思想提出于20世纪80～90年代，光通信技术、现代物理学研究成果在其中有着较深的应用，按照信道进行分类，可以将量子通信分为密码通信与隐形通信，前者主要采用量子状态作为信息加解密的密钥，传递密钥可立即发现窃听行为，而后者则通过将粒子未知量子态传送到另一个地方实现信息的传递，无实物量子信道使得传输两端同时发生变化，量子隐形通信因此无法破译。一次一密加密方式与量子通信的无条件安全性存在直接关联，物理学基本原理在其中发挥的作用不容忽视，这也是数学水平、计算能力不断提升不会影响量子通信安全性的原因[1]。

2 量子通信在电力通信领域的具体应用

2.1 量子密钥分配技术的应用

在电力通信领域的量子通信应用中，量子密钥分配技术在重要电力通信保障中的应用可以称得上是其中典型，这种应用较好结合了电力通信领域分区分域工作彻底、内外网分离实现的较高通信安全实际情况，而基于成本、性能、可靠性方面的考虑则保证了量子密钥分配技术不会对现有网络拓扑造成影响。在量子密钥分配技术的具体应用中，指挥体系的音视频通话、信息传输安全性保障均将得以较好实现，电力通信领域保电系统原有高级别安全防护措施也将与量子密钥分配技术实现紧密结合，量子通信将由此实现在电力通信领域的落地应用。

图1为量子密钥分配技术在电力通信领域应用的系统拓扑示意图，结合该图可较为直观了解量子通信在重要电力通信保障中应用的具体思路，这一应用涉及的典型应用场景、主要功能与指标如下所示：（1）典型应用场景。保电系统、指挥室音视频通话属于量子密钥分配技术的典型应用场景，前者主要负责保电期间现场指挥管控、辅助决策，量子密钥分配技术在其中的应用将实现现场指挥中心访问通道的加密，由此机房服务器、现场指挥中心工作站之间的传输通道传输安全性将得以大幅提升；而后者则主要负责各级指挥中心的视频通话传输，量子密钥分配技术的应用可实现通话传输过程的加密。（2）主要功能与指标。量子密钥生成与管理终端、量子虚拟专用网络（Virtual Private Network，VPN）属于量子秘钥分配技术应用的重要构成，前者主要负责量子密钥分发过程，该环节涉及的指标包括诱骗态BB84协议（量子通信标准）、裸光纤（量子信号传输载体）、偏振编码（量子信号编码方式），而量子VPN则是一种IPSec VPN技术与量子密钥分配技术相结合的产物，可提供双重密钥属于该产物的主要功能，主要指标包括5次/s（密钥更新频率）、500 Mbit/s（最大密文吞吐率）、300 μs（最大时延）[2]。

量子密钥分配技术已在我国多家电力企业实现了实践应用探索，由此确定了电力通信领域量子密钥分配技术的应用可实现由机器自动完成密钥分发过程、真随机数列共享密钥获得、基于物理定理的两点间的密钥共享、对量子信道攻击的自动感知，由此即可最大程度上避免攻击者获得共享密钥内容，重要电力通信保障的整体安全程度也将大幅提升。

2.2 智能变电站量子通信纠错编解码技术的应用

近年来，我国多地开展了量子通信在智能变电站领域的应用探索，但在具体应用探索中研究人员发现，智能变电站复杂多变的电磁环境在很多时候会影响量子通信的开展并引发量子比特差错问题，这类问题的解决便需要得到智能变电站量子通信纠错编解码技术的支持。智能变电站电磁环境对量子通信带来的影响主要是由于量子相干性被破坏，而利用冗余编码便是一种较为有效且结合量子通信技术的问题解决措施。具体来说，Hadamard门和量子异或门属于研究主要涉及的量子逻辑门，而通过建立双向全双工的量子通信系统、纠错编码量子线路、纠错解码量子线路，即可满足智能变电站量子通信纠错编解码技术的应用需要，图2为智能变电站内部双向全双工的量子通信系统示意图。结合图2不难发现，通过在量子通信系统发送端引入纠错编码量子线路，即可实现纠错编码，其中纠错解码的流程可以描述为：“译码部分输出→差错情况1→差错情况2→差错情况3→差错情况4→纠错部分输出”，任意差错情况确认将在通过量子操作后直接进入纠错部分输出环节，由此即可保证量子通信更好地服务于智能变电站通信。

2.3 量子遗传算法的应用

量子遗传算法属于量子通信与遗传算法的结合产物，同时具备种群规模小特征、开发和探索能力、较优秀算法性能、收敛速度快速等属于量子遗传算法的主要特征，这也使得量子遗传算法可在电力通信领域实现较高质量、较为深入应用。在电力通信领域的量子遗传算法应用中，电力通信网路由选择属于该算法的应用典型，这一应用能够将电力通信业务分为高可靠宽带实时业务、高可靠窄带实时业务、可靠宽带实时业务、可靠窄带实时业务、低可靠窄带非实时业务5类，而结合各类电力通信业务的具體需要，即可通过求解多目标多约束优化问题实现量子遗传算法的应用，量子通信理念、技术也将由此较好地渗入电力通信领域。量子遗传算法的应用需围绕量子比特编码、量子测量、量子比特译码、量子变异展开，而基于这一系列内容开展的电力通信网路由选择中，需根据业务判断通信指标需求所属类别，并确定目标函数及可容忍时延最大值、最小可用带宽和可容忍丢包率最大值约束条件，结合量子遗传算法求得符合业务通信指标要求的最佳路径。在量子遗传算法的具体应用中，技术人员必须考虑传统技术通信指标对量子通信技术应用的影响，并同时关注电力业务实际以构建目标函数，由此量子遗传算法的应用便能够快速求出满足电力通信业务特性的最优路径，并实现最短时间内收敛到最优解。

3 结语

综上所述，量子通信在电力通信领域具备较高应用潜力，而在此基础上，本文涉及的量子密钥分配技术的应用、智能变电站量子通信纠错编解码技术的应用、量子遗传算法的应用，则为电力通信领域的量子通信应用提供了可行性较高的路径建议。因此，各地电力企业必须深入调研电力信息通信业务并开展针对性较高的量子通信实践探索，通过凝练应用示范验证成果即可为我国电力事业的进一步发展提供有力支持。

[参考文献]

[1]周静，卢利锋，雷煜卿.量子密钥技术提升电力系统二次防护安全性研究[J].电网技术，2014（6）：1518-1522.

[2]倪振华，李亚麟，姜艳.量子保密通信原理及其在电网中的应用探究[J].电力信息与通信技术，2017（10）：43-49.