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量子技术将为泛在电力物联网的信息安全保驾护航

2020-01-02 09:41  来源:国家电网报  浏览:  

现实世界中的你可以穿墙而过吗?文学作品中的心灵感应可能实现吗?20世纪量子理论的出现颠覆了人类对世界的很多看法。在量子的世界里,“穿墙术”和“心灵感应”都有可能发生。量子理论为人类探索世界提供了无限可能,而人类现在能够掌握和应用的,还仅仅是沧海一粟。

随着能源互联网的快速发展,泛在电力物联网建设提速,电力系统中各类应用、终端设备连接入网,网络信息安全日益重要。量子技术在原理上可以实现信息通信的绝对安全,当中蕴含着重塑现有网络信息安全理念和技术的巨大能量。

量子力学的起源和发展

1900年4月,著名物理学家开尔文发表了《在热和光动力理论上空的19世纪乌云》演讲。他说,动力学理论断言,热和光都是运动的方式,但是,现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽,显得黯然失色了。这两朵最终动摇经典物理大厦坚实基础的乌云,催生了20世纪现代物理学的两大支柱——相对论和量子力学。

1900年12月,普朗克通过对热辐射的研究,最早提出了量子这一概念;1905年,爱因斯坦提出了光量子假说,进一步发展了量子概念;1935年,薛定谔提出了著名的思想实验“薛定谔的猫”,并以此为基础进一步阐明了量子纠缠理论;1993年,美国科学家贝内特提出量子通信的概念,即利用量子纠缠原理来实现保密通信……

量子是构成物质的最基本单元,是物理量的最小单位,不可分割。那量子又有哪些特性呢?首先量子具有“不确定性”,即观察者不可能同时知道一个粒子的位置和它的速度,也就是说,测量后的微粒和测量之前相比,必然会产生变化。其次是量子“不可克隆”,即一个未知的量子态不能被完全地复制,在量子力学中,不可能实现复制态与初始量子态完全相同。再次是量子“不可区分”,即不可能同时精确测量两个量子态,无论采用任何测量方法,测量的结果都会有偏差。最后是量子态纠缠性,也就是两个量子在特定的环境(温度、磁场)下可以处于纠缠状态,基于这种纠缠,某个粒子的作用将会瞬时地影响另一个粒子。

量子理论的出现颠覆了人类对微观世界的诸多看法。特别是量子纠缠理论的实验验证:具有纠缠态的两个粒子无论相距多远,只要一个状态发生变化,另外一个也会瞬间发生变化——这不类似于“心灵感应”么?事实上,基于量子纠缠理论的量子通信技术解决了人类保密通信的巨大难题。

量子技术应用正在改变世界

量子理论的研究和技术应用是全球前沿领域,目前在应用方面,主要有量子通信、量子计算和量子测量“三兄弟”。那么,这“三兄弟”都在哪些领域实现应用?未来又有什么发展前景?

量子通信成熟最早,已经实现了实际应用,能够保证通信安全。由于量子具有“不确定性”,一个个光子呈现出各种概率,想要中途窃取信息的黑客就无法提取出真实信息。而通过系统的精巧设计,真正通信的双方却可以“算”出真实信息。通过安全传输少量信息用做加密的钥匙,给大量信息加密,可以保证通信安全。全球都在大力推进量子通信的工程应用。我国在此领域处于领先地位,不仅形成了成熟的成套装备,更实现了系统大规模应用。目前,我国已建成了量子通信“京沪”“沪杭”“合武”等干线,成功发射了量子科学实验卫星“墨子号”并完成相关实验。

量子计算也在快速成长,目前虽没有得到实际应用,却是真正的“潜力股”。由于量子具备叠加、纠缠等特性,运算时能够同时生成很多结果。如果能够对其精确控制,选择想要的结果,算力将获得指数级提升。几十个量子比特的计算机算力就能超过世界上现有的最强超级计算机。在这一领域,GOOGLE、MicroSoft、AMAZON等巨头处于第一集团,我国科技企业都大力投入,很多量子计算企业也在紧紧跟随,但总体上都还未实现具体应用。

量子测量最为“年少”,在化学与材料科学,以及生物和医疗等研究领域有着广泛的应用前景。由于量子都是微观粒子,对各种扰动特别敏感,因而能够大大提高测量精度。在医疗检测领域,量子测量技术能够使技术人员看清楚单个DNA分子的细节,精度比目前最先进的核磁共振提高3~4个数量级。在这一方向上,我国取得了一定成果,总体而言达到应用阶段还需时日。

保障泛在电力物联网信息安全

实际上,国家电网有限企业已将量子技术应用到电网运营中。尤其在量子通信方面,国网信息通信产业集团有限企业建立起电力量子城域示范网,结合量子通信“京沪干线”和“墨子号”卫星,形成跨省电力量子应用网络,为各类电网业务信息传输提供了安全保障。在政治保电方面,量子通信技术已在2016年G20杭州峰会、十九大、上海合作组织青岛峰会等重要活动保电的网络信息通信安全保障中得到应用。在电网日常业务应用上,量子安全产品为调度自动化、配电自动化、数据灾备、银电专线、数据网管、用电采集等业务提供了信息安全保障。

在“两网”融合的浪潮中,量子技术的应用能够为泛在电力物联网的信息安全保驾护航,助力泛在电力物联网更好地发挥作用。

在信息安全方面,国网信通产业集团将量子通信技术引入泛在电力物联网建设,提出了“泛在量子安全方案”。在泛在电力物联网的感知层,有离线加密保护终端通信;在网络层,有在线IP加密和非IP光路加密保护网络安全;在平台层,有数据库量子加密保护数据安全;在应用层,有量子安全云服务全面覆盖泛在电力物联网各层面的安全通信需求。

量子计算可能在电网信息安全中贡献一臂之力。用量子算法库中的机器学习算法来分析威胁信息、判断安全态势,可提升安全监测态势感知的效率。未来,量子算法的高算力优势还有可能在电网潮流计算和稳态分析中发挥作用。

而量子测量则有望在电网电气状态监测方面崭露头角。技术人员通过监测光在复合光缆地线传播过程中量子状态的变化,可以判断该线路覆冰情况的变化。当前,相关样机已在研制、测试过程中。

作为企业量子技术应用的主要支撑单位,国网信息通信产业集团已和国内权威量子科研院所形成量子产业联盟,打造多条量子产品线。乘着泛在电力物联网建设的东风,量子技术将在电网更多业务领域发挥更大的作用。

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