量子保密通信在电力通信中的应用

基于量子保密通信的电力系统技术研究与应用项海波1，鲍聪颖1，费武2，喻琰2（1.宁波永耀电力投资集团有限公司，浙江宁波315000；2.国网浙江省电力有限公司宁波供电公司，浙江宁波315016）摘要：信息技术在电力系统的应用逐渐深入，云计算、人工智能、物联网等新技术与传统电力系统高度融合形成全新的智能电网技术。

电网智能控制中心采集分析海量终端的数据，并且实现对海量电力终端的智能控制。

然而随着智能电网的开放性增强，人工智能芯片、超级计算机以及量子计算机技术的快速发展，基于传统密码体制的电力系统防护手段面临着严重的安全威胁。

基于量子力学的原理的量子保密通信技术能够抵御量子计算攻击、智能攻击、超级算力攻击，可弥补现有电力网络与信息系统的不足。

因此，本文分析现有电力网络配电环节面临的安全问题，提出基于量子保密通信技术的配网解决方案，研究需要突破的关键技术，针对电力网络配电三遥场景进行业务接入测试，验证技术方案的可行性，并对量子保密通技术在电力系统中的应用进行了展望，为量子保密通信技术在电力行业的应用提供参考。

关键词：智能电网；电力系统；配网；量子保密通信中图分类号：TN918文献标识码：A文章编号：2096-9759（2023）03-0132-031引言保密通信是保障网络与通信系统安全性的核心技术之一，通常采用现代密码技术来保障网络与通信系统的信息安全问题。

但是，随着高性能芯片例如智能芯片和高性能计算系统算力的快速提升，特别是随着量子计算机技术的快速发展，现有保密通信技术面临越来越大的困境和挑战。

美国国家标准与技术局（NIST）和欧洲电信标准化协会（ETSI）等评估了量子计算机对现代密码的威胁，认为：基于经典图灵机计算复杂度的密钥分发算法不再安全。

另外，近期研制成功的量子计算机原理系统，如美国IBM公司的Eagle处理器、Google公司的Sycamore2、我国的“祖冲之2.0”、“九章2.0”等，虽然目前离实用化还有较大距离，但是其技术发展很快，对现代密码学构成了巨大潜在威胁。

电力通信网络中的量子保密通信示范应用与测评肖磊1，李伯中1，张素香1，赖俊森2，刘璐2，田照宇1(1. 国家电网有限公司信息通信分公司，北京　100761；2. 中国信息通信研究院技术与标准研究所，北京　100191)摘　要：基于量子密钥分发的量子保密通信技术是未来提升信息安全防护能力的有效解决方案之一，近年来相关技术研究、设备研制和示范应用发展迅速，但量子保密通信系统测评的标准规范尚未完全建立。

在回顾量子保密通信技术及其应用进展的基础上，介绍电力量子保密通信示范网络建设和设备应用情况，从量子密钥分发、管理和应用等不同方面提出综合测评方案，通过实际网络环境验证量子保密通信技术在电力通信网络中应用的可行性和技术效果，并对未来量子保密通信应用发展进行展望。

关键词：量子密钥分发；量子密钥管理；量子保密通信；电力通信；测试评估DOI ：10.11930/j.issn.1004-9649.2019071430 引言2015年乌克兰大范围停电事故及2019年委内瑞拉全国大停电反映出网络时代国家基础设施正面临重大安全威胁。

强化网络防御能力，保障国家安全，已引起越来越多国家的重视。

保障经典通信安全的方法通常是对信息加密，但随着密钥破解算法的不断突破，以及计算科学尤其是量子计算技术的发展，经典密码加密技术对于通信网络安全的保障能力受到极大挑战。

量子通信系统因其“测不准原理”、未知“量子态”不能被精确复制等特点逐渐进入了公众视野，可从原理上保证通信无条件安全。

量子通信主要分量子隐形传态（qu a nt u m teleportation ，QT ）和量子密钥分发（quantum key distribution ，QKD ）2类[1]。

QT 基于通信双方的光子纠缠对分发（信道建立）、贝尔态测量（信息调制）和幺正变换（信息解调）实现量子态信息直接传输，其中量子态信息解调需要借助传统通信辅助才能完成[2-3]。

QKD 通过对单光子或光场正则分量的量子态制备、传输和测量，首先在收发双方间实现无法被窃听的安全密钥共享，之后再与传统保密通信技术相结合完成经典信息的加解密和安全传输，基于QKD 的保密通信称为量子保密通信[4]。

量子通信有哪些潜在应用量子通信是一种基于量子力学原理的通信方式，具有强大的安全性和保密性。

下面列举了一些潜在的应用：1.安全通信：量子通信的核心优势就是安全性，可以保证通信内容不被窃听或篡改。

这对于军事、政府和金融等领域的保密通信具有重要意义。

2.金融交易：量子通信可以用于金融交易的保密通信，包括证券、基金等金融交易，保障交易的安全和机密性。

3.数据中心安全：数据中心经常存储着重要的商业机密和个人信息，这些信息的泄露会带来极大的风险和损失。

量子通信可以保障数据中心的安全通信，避免数据被窃取和篡改。

4.身份认证：量子通信可以用于安全的身份认证，比传统的密码认证更加安全可靠。

5.智能交通：量子通信可以用于车辆间的通信，提高智能交通系统的安全性和效率。

6.天文学：量子通信可以用于天文观测，提高数据的保密性和准确性。

7.医疗保健：量子通信可以用于医疗保健领域，例如远程医疗和医疗数据的安全传输等。

总之，量子通信在安全通信领域有着广泛的应用前景，可以为人类社会带来重要的技术进步和社会效益。

随着量子技术的不断发展和成熟，量子通信技术也将得到更广泛的应用和推广。

除了上述应用，量子通信还有其他一些潜在的应用：8.量子计算：量子通信可以为量子计算提供重要的技术支持，例如量子随机数生成和量子密钥分发等。

9.密码学：量子通信可以用于密码学领域，例如基于量子力学原理的安全加密算法。

10.无线电通信：量子通信可以用于无线电通信领域，例如基于量子随机数生成的安全无线电通信。

11.地震监测：量子通信可以用于地震监测，提高监测数据的准确性和精度。

12.环境监测：量子通信可以用于环境监测，例如水质监测和大气污染监测等，保障环境数据的安全和可靠性。

总之，量子通信技术在未来有着广泛的应用前景，可以应用于众多领域，提高通信的安全性、可靠性和效率。

随着量子技术的不断发展和成熟，相信量子通信技术将会得到更广泛的应用和推广。

量子通信的应用案例分析在当今科技飞速发展的时代，量子通信作为一项具有革命性的技术，正逐渐从理论走向实际应用，并在多个领域展现出了巨大的潜力和优势。

量子通信基于量子力学的基本原理，利用量子态的叠加和纠缠等特性，实现了信息的高效、安全传输。

接下来，让我们通过一些具体的应用案例来深入了解量子通信的神奇之处。

一、金融领域金融交易对于信息的安全性和保密性有着极高的要求。

在传统通信方式中，信息可能会被黑客窃取或篡改，给金融机构和客户带来巨大的损失。

而量子通信的出现为金融领域提供了一种全新的、高度安全的通信手段。

例如，某大型银行采用了量子通信技术来保障其核心业务数据的传输。

通过建立量子通信网络，银行能够实现客户账户信息、交易记录等敏感数据的加密传输。

由于量子通信的不可窃听性和不可破解性，即使黑客试图拦截和窃取这些信息，也无法获取到有用的内容。

这大大提高了金融交易的安全性，增强了客户对银行的信任。

此外，量子通信还可以用于金融市场的实时交易。

在高频交易中，每一秒的时间都至关重要。

量子通信的超低延迟特性使得交易指令能够以更快的速度传输，减少了交易时间，提高了交易效率，为金融机构在激烈的市场竞争中赢得了先机。

二、政务领域政府部门处理着大量的机密信息，如国家政策、军事战略、公共安全等。

保护这些信息的安全对于国家安全和社会稳定至关重要。

在某些国家，政府已经开始将量子通信技术应用于政务通信网络。

例如，政府内部的机要通信采用量子加密技术，确保了机密文件在传输过程中的安全性。

同时，量子通信还可以用于政府部门之间的远程视频会议，保障会议内容不被泄露。

另外，在公共服务领域，如社会保障、税收等方面，量子通信也发挥着重要作用。

通过量子通信技术，可以安全地传输公民的个人信息，防止信息被滥用和泄露，保障公民的合法权益。

三、能源领域能源行业涉及到能源的生产、传输和分配等关键环节，信息的安全和稳定传输对于保障能源系统的正常运行至关重要。

在电力系统中，量子通信可以用于电网的监控和调度。

1引言21世纪以来，量子通信逐渐成为通信技术领域的关注热点，目前正成为量子物理和信息安全的重点研究对象。

量子保密通信技术的本质是基于量子力学的物理学原理，而非数学计算原理，因此其通信安全性不会受到基于数学计算的密码破译方式的冲击，从理论上可以保证数据传输的安全传输。

量子密钥分发基于量子的不可分割、不可克隆等特性，可保证存在窃听即被发现。

同时，基于量子密钥分发网络得到的密钥具有量子随机特性。

可见，量子保密通信是未来应对通信安全的最可靠技术。

电力系统作为国家基础设施，其生产控制系统和信息管理系统承载了大量控制命令和敏感信息，相关数据的安全性将对居民正常生活和国家安全至关重要。

随着智能电网和泛在电力物联网的发展，电力系统海量终端与用户之间存在大量的数据通信，这些重要的能源信息长期经受安全考验。

因此，迫切需要开展以量子保密通信技术为重点的下一代通信安防体系研究，以更加安全可靠的方式助力电力系统稳定运行。

在量子保密通信技术原理中，通信双方采用单光子状态作为信息传输的载体，从而实现密钥分发。

考虑到在物理学中，单光子状态是不可分割、不可复制的，窃听者无法对单光子进行拆分和克隆，也就无法获取单光子所承载的数据信息。

而一旦窃听者试图对单光子状态进行数据盗取，都会对光子的状态产生扰动，从而判断出非正常的通信行为。

相比于传统依赖于计算复杂度的对称加密和非对称加密，量子保密通信技术不依赖数学的计算复杂度，在理论上是绝对安全的。

量子保密通信技术是基于量子密钥分发（Quantum Key Distribution，QKD），遵循密钥随机产生、密钥不重复使用、明密文长度一致的原则，以光信号的形式进行“一次一密”通信，保证了通信双方之间的无条件安全性，进一步提高了传输通信的安防水平。

1984年，BB84协议首次提出用于解释量子保密通信技术原理，BB84协议如图1所示。

单光子振动会有各个角度，因此BB84协议按照单光子的水平振动角度、垂直振动角度和±45°振动角度来对单光子进行编码。

面向量子密钥应用的电力业务重要度评价方法李国春;张素香;邓伟;于卓智;张叶峰;朱玉坤【摘要】随着电网规模的壮大和系统复杂性的增加,电网对电力通信网业务传输的安全性提出更严格的要求.电力系统二次防护体系中,传统加密装置使用对称加密算法对通信数据进行加、解密处理.量子密钥拥有极高的安全性,将量子密钥运用于电力通信网加密装置能够极大地提高业务传输的安全性.现有量子密钥分发设备产生的密钥资源有限,难以保证全部电力业务数据一次一密的加密传输.因此,需要通过建立合适的业务重要度评价方法,优先保证重要业务的保密传输.提出一种量子通信背景下,基于各个业务的传输性能指标建立相对重要度矩阵的方法,获得电力通信网业务重要度,以开展后续的量子密钥应用策略研究.【期刊名称】《电信科学》【年(卷),期】2019(035)001【总页数】7页(P154-160)【关键词】电力通信网;电力系统二次防护体系;量子密钥;业务重要度评价【作者】李国春;张素香;邓伟;于卓智;张叶峰;朱玉坤【作者单位】国网电力信息通信有限公司,北京100761;国网电力信息通信有限公司,北京100761;北京国电通网络技术有限公司,北京100070;北京国电通网络技术有限公司,北京100070;北京国电通网络技术有限公司,北京100070;北京国电通网络技术有限公司,北京100070【正文语种】中文【中图分类】TM732随着国际安全形势的日趋严峻及全球能源互联网战略的逐步实施，电力系统运行环境更加复杂。

电力网络作为国家关键信息基础设施，是社会运行的“神经中枢”之一，而电力通信网作为其支撑网络，面临较大的安全隐患，是网络安全的重中之重。

电力生产及企业经营管理业务涉及大量敏感信息，系统运行和控制指令通过电力专网进行交互，安全等级和实时性要求很高。

传统的对称保密系统主要包含4种功能，即密钥生成、加/解密、密文传输和密钥传输。

在密钥传输的过程中，有较大的风险会被攻击者拦截。

量子保密通信技术进展及应用趋势分析*摘要：基于量子密钥分发的量子保密通信已进入初步实用化阶段，有望成为提升网络信息安全防护能力的可选方案之一。

对基于量子密钥分发的量子保密通信领域的最新研究和应用进展进行综述，集中呈现各方对量子密钥分发技术应用的观点和看法，并针对量子密钥分发技术在科研、工程和应用三个不同层面的问题提出相应的分析和建议，供业界参考。

关键词：量子密钥分发；量子保密通信；应用分析1 引言量子通信利用量子叠加态及纠缠效应，在经典通信辅助下，可以实现量子态信息传输或密钥分发，在理论协议层面具有无法被窃听的信息论安全性保证。

量子通信的应用主要包括量子隐形传态（Quantum Teleportation，QT）、量子密钥分发（Quantum Key Distribution，QKD）、量子安全直接通信（Quantum Secure Direct Communication，QSDC）、量子秘密共享（Quantum Secret Sharing，QSS）和量子密集编码（Quantum Dense Coding，QDC）等。

从研究论文数量和专利申请情况进行分析，QKD和QT是目前量子通信研究与应用发展的重点方向，而基于QKD的量子保密通信则是目前实用化的应用方向。

近年来，量子密钥分发领域的科学研究持续保持活跃，应用和产业化进一步探索，应用观点和意见尚未统一，成为业界关注的焦点之一。

媒体宣传对量子通信或存在一些误解和过度解读，容易引发不必要的争议，不利于凝聚共识、形成合力，对此作几点说明：第一，QKD只是量子通信的应用之一，直接将二者划等号会以偏概全，并非恰当表述；第二，量子通信的本质是实现未知量子态（Qubit）的传输，与传输确定信息（Bit）的经典通信面向不同应用场景，更不存在替代关系；第三，量子通信必须借助经典通信的辅助才能完成，如QKD中的协议后处理信息交互、QT中的贝尔态联合测量结果传输等，不存在信息超光速传输的情况；第四，量子通信中的QKD和QT等应用有望为提升经典通信的安全性或组网协议功能提供新型可选解决方案，但实用化和工程化等方面仍有诸多问题需要进一步探索、突破和解决。