改變電網？量子技術可以保障泛在電力物聯網信息安全！

現實世界中的你可以穿墻而過嗎？文學作品中的心靈感應可能實現嗎？20世紀量子理論的出現顛覆了人類對世界的很多看法。在量子的世界里，“穿墻術”和“心靈感應”都有可能發生。量子理論為人類探索世界提供了無限可能，而人類現在能夠掌握和應用的，還僅僅是滄海一粟。

隨著能源互聯網的快速發展，泛在電力物聯網建設提速，電力系統中各類應用、終端設備連接入網，網絡信息安全日益重要。量子技術在原理上可以實現信息通信的絕對安全，當中蘊含著重塑現有網絡信息安全理念和技術的巨大能量。

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量子力學的起源和發展

1900年4月，著名物理學家開爾文發表了《在熱和光動力理論上空的19世紀烏云》演講。他說，動力學理論斷言，熱和光都是運動的方式，但是，現在這一理論的優美性和明晰性卻被兩朵烏云遮蔽，顯得黯然失色了。這兩朵最終動搖經典物理大廈堅實基礎的烏云，催生了20世紀現代物理學的兩大支柱――相對論和量子力學。

1900年12月，普朗克通過對熱輻射的研究，最早提出了量子這一概念；1905年，愛因斯坦提出了光量子假說，進一步發展了量子概念；1935年,薛定諤提出了著名的思想實驗“薛定諤的貓”，并以此為基礎進一步闡明了量子糾纏理論；1993年，美國科學家貝內特提出量子通信的概念，即利用量子糾纏原理來實現保密通信……

量子是構成物質的最基本單元，是物理量的最小單位，不可分割。那量子又有哪些特性呢？首先量子具有“不確定性”，即觀察者不可能同時知道一個粒子的位置和它的速度，也就是說，測量后的微粒和測量之前相比，必然會產生變化。其次是量子“不可克隆”，即一個未知的量子態不能被完全地復制，在量子力學中，不可能實現復制態與初始量子態完全相同。再次是量子“不可區分”，即不可能同時精確測量兩個量子態，無論采用任何測量方法，測量的結果都會有偏差。最后是量子態糾纏性，也就是兩個量子在特定的環境（溫度、磁場）下可以處于糾纏狀態，基于這種糾纏，某個粒子的作用將會瞬時地影響另一個粒子。

量子理論的出現顛覆了人類對微觀世界的諸多看法。特別是量子糾纏理論的實驗驗證：具有糾纏態的兩個粒子無論相距多遠，只要一個狀態發生變化，另外一個也會瞬間發生變化――這不類似于“心靈感應”么？事實上，基于量子糾纏理論的量子通信技術解決了人類保密通信的巨大難題。

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量子技術應用正在改變世界

量子理論的研究和技術應用是全球前沿領域，目前在應用方面，主要有量子通信、量子計算和量子測量“三兄弟”。那么，這“三兄弟”都在哪些領域實現應用？未來又有什么發展前景？

量子通信成熟最早，已經實現了實際應用，能夠保證通信安全。由于量子具有“不確定性”，一個個光子呈現出各種概率，想要中途竊取信息的黑客就無法提取出真實信息。而通過系統的精巧設計，真正通信的雙方卻可以“算”出真實信息。通過安全傳輸少量信息用做加密的鑰匙，給大量信息加密，可以保證通信安全。全球都在大力推進量子通信的工程應用。我國在此領域處于領先地位，不僅形成了成熟的成套裝備，更實現了系統大規模應用。目前，我國已建成了量子通信“京滬”“滬杭”“合武”等干線，成功發射了量子科學實驗衛星“墨子號”并完成相關實驗。

量子計算也在快速成長，目前雖沒有得到實際應用，卻是真正的“潛力股”。由于量子具備疊加、糾纏等特性，運算時能夠同時生成很多結果。如果能夠對其精確控制，選擇想要的結果，算力將獲得指數級提升。幾十個量子比特的計算機算力就能超過世界上現有的最強超級計算機。在這一領域，谷歌、微軟、亞馬遜等巨頭處于第一集團，我國科技公司都大力投入，很多量子計算企業也在緊緊跟隨，但總體上都還未實現具體應用。

量子測量最為“年少”，在化學與材料科學，以及生物和醫療等研究領域有著廣泛的應用前景。由于量子都是微觀粒子，對各種擾動特別敏感，因而能夠大大提高測量精度。在醫療檢測領域，量子測量技術能夠使技術人員看清楚單個DNA分子的細節，精度比目前最先進的核磁共振提高3～4個數量級。在這一方向上，我國取得了一定成果，總體而言達到應用階段還需時日。

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保障泛在電力物聯網信息安全

實際上，國家電網有限公司已將量子技術應用到電網運營中。尤其在量子通信方面，國網信息通信產業集團有限公司建立起電力量子城域示范網，結合量子通信“京滬干線”和“墨子號”衛星，形成跨省電力量子應用網絡，為各類電網業務信息傳輸提供了安全保障。在政治保電方面，量子通信技術已在2016年G20杭州峰會、十九大、上海合作組織青島峰會等重要活動保電的網絡信息通信安全保障中得到應用。在電網日常業務應用上，量子安全產品為調度自動化、配電自動化、數據災備、銀電專線、數據網管、用電采集等業務提供了信息安全保障。

在“兩網”融合的浪潮中，量子技術的應用能夠為泛在電力物聯網的信息安全保駕護航，助力泛在電力物聯網更好地發揮作用。

在信息安全方面，國網信通產業集團將量子通信技術引入泛在電力物聯網建設，提出了“泛在量子安全方案”。在泛在電力物聯網的感知層，有離線加密保護終端通信；在網絡層，有在線IP加密和非IP光路加密保護網絡安全；在平臺層，有數據庫量子加密保護數據安全；在應用層，有量子安全云服務全面覆蓋泛在電力物聯網各層面的安全通信需求。

量子計算可能在電網信息安全中貢獻一臂之力。用量子算法庫中的機器學習算法來分析威脅信息、判斷安全態勢，可提升安全監測態勢感知的效率。未來，量子算法的高算力優勢還有可能在電網潮流計算和穩態分析中發揮作用。

而量子測量則有望在電網電氣狀態監測方面嶄露頭角。技術人員通過監測光在復合光纜地線傳播過程中量子狀態的變化，可以判斷該線路覆冰情況的變化。當前，相關樣機已在研制、測試過程中。

作為公司量子技術應用的主要支撐單位，國網信息通信產業集團已和國內權威量子科研院所形成量子產業聯盟，打造多條量子產品線。乘著泛在電力物聯網建設的東風，量子技術將在電網更多業務領域發揮更大的作用。