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
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
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。
王少轶-量子保密通信技术与应用(智慧城市论坛)
量子通信是什么？
应用量子状态来实现信息传递的通信方式
量子状态的神奇特点：
不可分割
叠加、不可复制
纠缠
•8
量子通信分类
量子通信
Quantum Key Distribution 量子密钥分发
用于安全的传递经典信息
Quantum Teleportation 量子隐形传态
传递量子状态的有效手段
•9
量子通信的安全性
公开
2019/1/18
量子保密通信 技术与应用
武汉航天三江量子通信有限公司
•1
内容大纲
什么是量子保密通信 量子保密通信发展现状 武汉市量子保密通信城域网
•2
什么是量子保密通信
•3
量子保密通信出现的背景
• 斯诺登曝光美国国家家 安全局部署“量子计算 技术攻关”以破解所有 现行密码的计划
• 2016年7年，美国发布《推动量子信息科学： 国家挑战与机遇》
• 上世纪90年代，提出“欧洲量子科
欧洲
学技术”和“欧洲量子信息处理与 通信”两个计划
(EUR) • 2008年，发布《量子信息处理与通
信战略报告》
•12
国外现状－研发排名
经费投入 论文出版物 专利应用 综合排名
美国
1
2
1
1
中国
2
1
•22
•22
主要组成
由1个大型集控站、1个大型可信中继站、9个可信中继站A/B、60个设备（用户）节点组成
•23
依托武汉市已经运行的电子政务专网， 覆盖省市级重要数据中心和政务部门在智慧城市和政务的各种应用
•23
经典--量子波分复用技术
利用现有的商用光通讯网，在大型集控站与可信中继站之间、可信中继站与用户节 点之间使用经典-量子波分复用设备，实现量子信号光与经典信号光的同信道传输 这套技术解决了目前量子保密通信技术推广应用需要单独铺设光纤带来的一系列问 题。光线线路使用成本下降接近30%，线路优化工作量减少10%以上；
量子通信的应用案例分析
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。
量子保密通信在电网业务应用的方案研究与设计
1
量子保密通信过程中，发送方和接收方采用单光子的状态作为信息载体来建立密钥。由于单光子不可分割，窃听者无法将单光子分割成2部分，让其中一部分继续传送，而对另一部分进行状态测量获取密钥信息。由于量子测不准原理和不可克隆定理，窃听者无论是对单光子状态进行测量或是试图复制之后再测量，都会对光子的状态产生扰动，从而使窃听行为暴露。数学上可以严格证明，若密钥是绝对保密的，且密钥长度与被传送的明文长度相等，那么通信双方的通信是绝对保密的。
图2 量子保密通信设备连接示意
2
量子VPN网关之间通过国网数据网建立点对点IPSec隧道。使用隧道模式，在隧道中传输的业务数据需要经过量子密钥的对称加密处理，而量子密钥的获取是通过量子VPN网关与QKD的即时交互获得。
隧道模式的工作原理是先将IP数据包整个进行加密后再加上ESP的头和新的IP头，这个新的IP头中包含有隧道源/宿的地址。当通过ESP隧道的数据包到达目的网关（即隧道的另一端）后，利用ESP头中的安全相关信息对加密过的原IP包进行安全相关处理，将已还原的高层数据按原IP头标明的IP地址递交，以完成信源-信宿之间的安全传输。因此，基于此原理，隧道模式常用于网关与网关之间保护的内部网络，同时亦可用于主机与网关之间的安全保护。而传输模式的原理是在IP包的包头与数据包之间插入一个ESP头，并将数据包进加密，然后在公网上传输。这种模式的特点是保留了原IP头信息，即信源/宿地址不变，所有安全相关信息包括在ESP头中。ESP传输模式适用于主机与主机的安全通信。在设计VPN隧道时，需考虑节点间通信需求，是单个主站对应多个子站，还是多个主站对用多个子站，或是子站间也有通信的需求。
电力量子保密通信关键技术及未来展望
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
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。
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量子保密通信在电力通信中的应用
发表时间：2020-03-16T15:25:20.777Z 来源：《电力设备》2019年第20期作者：陈冠晟
[导读] 摘要：量子保密通信作为新时代的产物，有着传统保密模式难以比拟的优势，若将量子保密通信应用在电力通信当中，电力通信将获得绝对性的信息安全保障。
（广东电网有限责任公司江门供电局广东江门 529000）
摘要：量子保密通信作为新时代的产物，有着传统保密模式难以比拟的优势，若将量子保密通信应用在电力通信当中，电力通信将获得绝对性的信息安全保障。
对此，本文以量子保密通信为研究对象，简单介绍量子保密通信的相关内容，阐述国内外量子保密通信技术在电力通信中的应用现状，分析当前应用存有的不足之处，并提出相应优化策略，希望能够进一步提升量子保密通信在电力通信的应用力度，为我国电力通信领域的各类信息提供强有力的安全保障。
关键词：量子保密通信；电力通信；应用现状
一、量子保密通信的相关内容
（一）量子保密通信的简单介绍
量子保密通信是以量子密钥分发技术为基础，其最大优势在于安全性能佳、失真度较低，从上个世纪九十年代初第一个量子密钥问世以来，量子保密通信便风靡国际，在国内外都得到了迅猛发展。
在量子保密通信发展的三十多年间，通过科研人员大量的实验，现在的量子保密通信技术已经逐步走向成熟，理论及实验等方面都较为完善，当下实用化最强的则是量子信息技术。
（二）量子保密通信与电网通信之间的关联
电网通信关系到国民经济的发展，是各行各业发展及人们日常生产的关键，因此，电网通信的安全性至关重要，将直接影响国家能源安全以及国民经济的发展。
随着国民经济发展进程的不断加快，我国电网通信的整体规模也随之不断扩大，过去电网通信的保密工作主要是依赖计算复杂程度，以来计算复杂程度的安全隐患也接踵而来：科技水平的不断发展促进了人们计算机水平的提高，由许多过去难以破解的计算难题都被逐一破解，当前尚未破解的计算难题在未来存在被破解的风险，一旦计算难题被破解，电网通信不再具有安全性与保密性，后果将不堪设想，例如2015年乌克兰电力部门的电网通信遭到了黑客恶意攻击导致乌克兰大面积停电，停电期间许多行业都被迫停业，造成了巨大的经济损失。
量子保密通信技术作为信息化时代的新兴产物，有“海森堡测不准原理”和“不可克隆原理”作安全保障，其安全性是传统以计算复杂程度为依托的保密工作无法比拟的；另一方面，电网通信对安全性有特殊的要求，且随着科技的发展，今后电网通信对安全性的要求只高不低，传统保密工作将很难适应电网通信的发展需要，综上所述，量子保密通信工作是当下最适合电网通信安全的保密技术。
二、量子保密通信在电网通信的应用现状
量子保密通信具有高效、安全等特点，广阔的应用领域及应用前景吸引了众多的眼光，国际上有许多国家都纷纷加入量子保密通信的实验队伍，国际上赫赫有名的上市公司也同样前仆后继，有部分国家甚至成立了相关的实验机构，从国际对待量子保密通信的态度不难看出其商业价值及应用空间。
（一）国外的应用现状
美国早在2012年便有相关团队研究出将量子保密通信系统应用在电网通信系统当中，随之展示出了加密成果及控制指令，成功的开发出了相关的保密系统，随后将该保密系统应用在某高校的可信网络基础设施的电网系统中；同年，M2M即“可实现不间断机器之间的”相关服务问世，并广泛应用在电网系统的安全通信当中；近些年来，国外许多著名公司都专注于量子保密通信的应用工作当中，投入了大量的研发成本与研发精力，还有许多知名公司如美国“OakRidge”实验室及“IDQ”公司共同联合展开相关实验项目。
（二）国内的应用现状
“十二五”以来，量子保密通信作为我国重点发展的前沿技术，已经被列入我国《中长期科学和技术发展规划纲要》当中，在电网通信方面的应用力度更是只多不少，“中国电科院”与“中科大”两大研究团队都相继开展了相关科研工作，在电网通信系统中安装相关量子保密通信系统，将最终成果与传统保密系统相比较，提出传统保密系统存在的不足之处，并制定相关的改善措施；在2015年，“中国电科院”与“中科大”共同致力于建设绝对安全、保密的电网通信，展开了“电力工业量子通信网”的研发工作，我国首次搭建电力工业量子通信网，这是极具意义的重大事件，相信在不久的将来我国一定能够突破当下的发展瓶颈，实现绝对安全、绝对保密的电网通信。
三、电网通信应用量子保密通信的相关内容
（一）量子保密通信的主要应用方向
第一，利用量子保密通信保障电力业务，建议在电网通信系统中布置相关的量子保密通信链路，保证业务数据、管理数据等信息的安全传输，为重要场合的用电安全提供极大的安全保障；第二，利用量子保密通信调度电力业务，建议在电网通信系统的相关防火墙外设置相关保密技术，对其展开加密保护，杜绝恶意代码入侵事件的风险；第三，利用量子保密通信提高配电业务的安全性与保密性，建议制定相关量子密钥管理方案及操作流程，要周期性更换量子密钥，确保量子密钥的随机性；第四，应用在容灾备份方面，利用量子保密通信加强数据与数据之间的共享力度，并进一步强化数据传输的安全性能。
（二）应用量子保密通信的优势及存有的不足之处
优势：量子保密通信的安全性能极高，在电网通信中应用量子保密通信便可以绝对性的杜绝窃听，且量子保密通信具备不可克隆原理，窃听者无法对未知量子展开克隆工作，为电网通信提供了极大的安全保障。
不足之处：虽然当下我国电网公司具有十分庞大的电网光线，同时具备十分强大的科研团队并且得到了国家的大力支持，但在量子保密通信应用方面，仍存在技术及管理方面的不足之处，这些不足之处严重束缚了量子保密通信的应用。
（三）优化建议
首先，建议电网公司务必要深入调研相关通信业务，要建立相应的信息系统安全生态表，根据不同效果划分安全等级，加强管理，明确不同程度的安全需要；其次，加大人才培养力度，可以加强与专业团队的合作力度，将有基础、有能力的人才送往学习，提高建设队伍各方面的软、硬实力；再次，建立相关的管理体系，确保量子保密通信系统应用具有一系列的标准规范。
四、小结与展望
随着信息化发展进程的日益加快，大多数行业都在朝着自动化、智能化的方向发展，随之而来的各类信息安全问题也日益凸显，电力通信也不例外。
电力通信作为国民经济发展的重要支撑，安全性能极为重要，因此，我们必须要加快量子保密通信的应用脚步，加大量子保密通信在电网通信中的应用力度，真正实现绝对安全的电网通信。
参考文献 [1]刘先晶,吕军,王跃东,隋佳新.徐媛量子加密通信在电力系统中的应用[J].研究国网大连供电公司:《2017智能电网新技术发展与应用研讨会论文集》,2017年.
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[4]许东蛟,张丹丹,陈伟,贾光伟.量子保密通信在电力通信中的应用[J].河南九域腾龙信息工程有限公司:《电脑编程技巧与维护》,2019年09期.。