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大干新基建电网+量子保密通信:中美都在探索,距离是瓶颈

放大字体  缩小字体 发布日期:2020-06-21  浏览次数:2948

电力网络带有专用通信系统,其公共事业属性又天然对安全性形成高要求。中、美目前都在探索量子保密通信与国家级电网的结合。

不过,电网管理技术想要充分享受“量子加成”并不容易。除了设备稳定性、集成化、成本等,最大难突破的瓶颈是距离。

隶属于美国能源部的橡树岭和洛斯阿拉莫斯两大国家实验室近日宣布通过在城市变电站中安置可信节点,实现电网中三个量子密钥分发(QKD)系统的中继,在延长距离上走出了他们的第一步。

据澎湃新闻了解,中国从2012年就开始探索将量子保密通信技术应用到电网运营中。南京南瑞国盾量子技术有限公司(简称 “南瑞国盾量子”)技术人员告诉记者,南瑞国盾量子与国家电网已经合作开展了百公里、悬空光缆等线路上量子保密通信的研究和验证。但电力有一些高压输电线路,单跨300公里以上,现在的可信中继是没有部署条件的。

上述技术人员表示,从量子保密通信设备供应商的角度,需要在可靠性和小型化两条路线上齐头并进, 尽快满足电力系统对长期稳定和融合部署的要求,同时降低应用成本。

电网+量子保密

电力系统在建设输电线路的同时,往往会在变电站等落地节点安装通信设备,部署专用的通信网络。电网信息有着或高或低的安全要求,比如重要设施的监测数据、省市电力配送数据和指令安全要求高,用电终端的测量、计费相关数据则安全要求较低。

电网的这些特性具备了试验量子保密通信的条件和需求。

简单来说,可以利用现成的通信光缆架设QKD网络,在量子加密机上产生量子密钥,通过中继和交换节点,就可以实现全网量子密钥分发。

城市电网中的机房、管控中心等间隔一般在百公里级,相对容易被量子保密通信网覆盖,最需要解决的是稳定性、成本要求。

若是涉及超过单跨200公里的长距离电力线路,由于无法像经典通信一样进行信号放大,QKD网络就必须设置可信中继等中间节点。想要“不落地”部署,还要在集成化上取得大幅突破。

美国能源部的尝试

美国能源部的两大国家实验室连续两年在电网中演示QKD。研究人员相信,电网+量子保密通信可以提高网络的安全性、效率和寿命。

去年,他们证明具有不同的底层硬件和软件组件的QKD系统可以无缝协同工作。今年,他们将系统与QKD制造商Qubitekk开发的新系统放置在田纳西州查塔努加市的变电站中,用作量子密钥传递的中继站。

这无疑是个现成的选择:变电站本来就由摄像机、围栏和其他安全措施形成保障。

他们再把当地社区公用事业和电信公司EPB的一片光纤网络隔离起来,用作测试专线,实现了三个系统的真实中继。

这些“可信节点”虽然不是量子中继器,安全性不能得到量子力学理论的保证,但它们带来了两方面的好处:一方面延长保密通信的物理距离,也增加了量子网络上的节点数量。控制中心可以同时安全地向所有变电站发出关键指令。

橡树岭国家实验室量子信息科学小组负责人Nicholas Peters认为,这些集成到电网中的QKD系统能在数十年内保证安全,匹配或超过能源物理基础设施的使用寿命。

该团队希望逐步在美国国家电网系统中部署更多的QKD资源,以便在更大的规模上看到提升效果。

中国的探索

中国从2012年就开始探索将量子通信技术应用到电网运营中。目前国内电力领域重要业务数据信息已经可以利用量子保密通信技术,实现在京沪两地灾备中心之间的加密传输,并复用京沪干线沿线量子城域网,开展基于量子保密通信技术的内部办公和对外业务的安全防护。

科创板拟上市公司科大国盾量子技术股份有限公司此前已经和国家电网旗下南京南瑞集团、国家电网公司信息通信分公司、国网信息通信产业集团建立长期战略合作。

相应工程项目处于验证示范的阶段,北京、山东、安徽、上海、浙江、江苏等重要地区先后开展建设,应用场景主要包括:调度自动化、配电自动化、用电信息采集、信息容灾、协同办公、保密会商、移动作业、银电交易等电力业务。

消息人士称,中国在电力领域也开始试水一些轻量级的QKD密钥创新应用。比如说,试验将QKD网络生成的量子密钥存储在一些安全介质(类似于TF卡、U盾)中,应用到配电箱、电表上去,保护端到端及端到服务器的通信安全。这种把“量子安全”拓展到用户端的尝试,目前还在早期阶段。


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