量子技術(shù)如何改變電網(wǎng)？

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

　　隨著(zhù)能源互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設提速，電力系統中各類(lèi)應用、終端設備連接入網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò )信息安全日益重要。量子技術(shù)在原理上可以實(shí)現信息通信的絕對安全，當中蘊含著(zhù)重塑現有網(wǎng)絡(luò )信息安全理念和技術(shù)的巨大能量。

　　量子力學(xué)的起源和發(fā)展

　　1900年4月，著(zhù)名物理學(xué)家開(kāi)爾文發(fā)表了《在熱和光動(dòng)力理論上空的19世紀烏云》演講。他說(shuō)，動(dòng)力學(xué)理論斷言，熱和光都是運動(dòng)的方式，但是，現在這一理論的優(yōu)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(dòng)搖經(jīng)典物理大廈堅實(shí)基礎的烏云，催生了20世紀現代物理學(xué)的兩大支柱——相對論和量子力學(xué)。

　　1900年12月，普朗克通過(guò)對熱輻射的研究，最早提出了量子這一概念；1905年，愛(ài)因斯坦提出了光量子假說(shuō)，進(jìn)一步發(fā)展了量子概念；1935年,薛定諤提出了著(zhù)名的思想實(shí)驗“薛定諤的貓”，并以此為基礎進(jìn)一步闡明了量子糾纏理論；1993年，美國科學(xué)家貝內特提出量子通信的概念，即利用量子糾纏原理來(lái)實(shí)現保密通信……

　　量子是構成物質(zhì)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(guān)察者不可能同時(shí)知道一個(gè)粒子的位置和它的速度，也就是說(shuō)，測量后的微粒和測量之前相比，必然會(huì )產(chǎn)生變化。其次是量子“不可克隆”，即一個(gè)未知的量子態(tài)不能被完全地復制，在量子力學(xué)中，不可能實(shí)現復制態(tài)與初始量子態(tài)完全相同。再次是量子“不可區分”，即不可能同時(shí)精確測量?jì)蓚€(gè)量子態(tài)，無(wú)論采用任何測量方法，測量的結果都會(huì )有偏差。最后是量子態(tài)糾纏性，也就是兩個(gè)量子在特定的環(huán)境（溫度、磁場(chǎng)）下可以處于糾纏狀態(tài)，基于這種糾纏，某個(gè)粒子的作用將會(huì )瞬時(shí)地影響另一個(gè)粒子。

　　量子理論的出現顛覆了人類(lèi)對微觀(guān)世界的諸多看法。特別是量子糾纏理論的實(shí)驗驗證：具有糾纏態(tài)的兩個(gè)粒子無(wú)論相距多遠，只要一個(gè)狀態(tài)發(fā)生變化，另外一個(gè)也會(huì )瞬間發(fā)生變化——這不類(lèi)似于“心靈感應”么？事實(shí)上，基于量子糾纏理論的量子通信技術(shù)解決了人類(lèi)保密通信的巨大難題。

　　量子技術(shù)應用正在改變世界

　　量子理論的研究和技術(shù)應用是全球前沿領(lǐng)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(lǐng)域實(shí)現應用？未來(lái)又有什么發(fā)展前景？

　　量子通信成熟最早，已經(jīng)實(shí)現了實(shí)際應用，能夠保證通信安全。由于量子具有“不確定性”，一個(gè)個(gè)光子呈現出各種概率，想要中途竊取信息的黑客就無(wú)法提取出真實(shí)信息。而通過(guò)系統的精巧設計，真正通信的雙方卻可以“算”出真實(shí)信息。通過(guò)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(jìn)量子通信的工程應用。我國在此領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，不僅形成了成熟的成套裝備，更實(shí)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(xiàn)，成功發(fā)射了量子科學(xué)實(shí)驗衛星“墨子號”并完成相關(guān)實(shí)驗。

　　量子計算也在快速成長(cháng)，目前雖沒(méi)有得到實(shí)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(shí)能夠同時(shí)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(gè)量子比特的計算機算力就能超過(guò)世界上現有的最強超級計算機。在這一領(lǐng)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(yè)也在緊緊跟隨，但總體上都還未實(shí)現具體應用。

　　量子測量最為“年少”，在化學(xué)與材料科學(xué)，以及生物和醫療等研究領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用前景。由于量子都是微觀(guān)粒子，對各種擾動(dòng)特別敏感，因而能夠大大提高測量精度。在醫療檢測領(lǐng)域，量子測量技術(shù)能夠使技術(shù)人員看清楚單個(gè)DNA分子的細節，精度比目前最先進(jìn)的核磁共振提高3～4個(gè)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(shí)日。

　　保障泛在電力物聯(lián)網(wǎng)信息安全

　　實(shí)際上，國家電網(wǎng)有限公司已將量子技術(shù)應用到電網(wǎng)運營(yíng)中。尤其在量子通信方面，國網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團有限公司建立起電力量子城域示范網(wǎng)，結合量子通信“京滬干線(xiàn)”和“墨子號”衛星，形成跨省電力量子應用網(wǎng)絡(luò )，為各類(lèi)電網(wǎng)業(yè)務(wù)信息傳輸提供了安全保障。在政治保電方面，量子通信技術(shù)已在2016年G20杭州峰會(huì )、十九大、上海合作組織青島峰會(huì )等重要活動(dòng)保電的網(wǎng)絡(luò )信息通信安全保障中得到應用。在電網(wǎng)日常業(yè)務(wù)應用上，量子安全產(chǎn)品為調度自動(dòng)化、配電自動(dòng)化、數據災備、銀電專(zhuān)線(xiàn)、數據網(wǎng)管、用電采集等業(yè)務(wù)提供了信息安全保障。

　　在“兩網(wǎng)”融合的浪潮中，量子技術(shù)的應用能夠為泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的信息安全保駕護航，助力泛在電力物聯(lián)網(wǎng)更好地發(fā)揮作用。

　　在信息安全方面，國網(wǎng)信通產(chǎn)業(yè)集團將量子通信技術(shù)引入泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設，提出了“泛在量子安全方案”。在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的感知層，有離線(xiàn)加密保護終端通信；在網(wǎng)絡(luò )層，有在線(xiàn)IP加密和非IP光路加密保護網(wǎng)絡(luò )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(wù)全面覆蓋泛在電力物聯(lián)網(wǎng)各層面的安全通信需求。

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

　　而量子測量則有望在電網(wǎng)電氣狀態(tài)監測方面嶄露頭角。技術(shù)人員通過(guò)監測光在復合光纜地線(xiàn)傳播過(guò)程中量子狀態(tài)的變化，可以判斷該線(xiàn)路覆冰情況的變化。當前，相關(guān)樣機已在研制、測試過(guò)程中。

　　作為國家電網(wǎng)公司量子技術(shù)應用的主要支撐單位，國網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團已和國內權威量子科研院所形成量子產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，打造多條量子產(chǎn)品線(xiàn)。乘著(zhù)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設的東風(fēng)，量子技術(shù)將在電網(wǎng)更多業(yè)務(wù)領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。