量子通信技術在電力信息系統保密傳輸中的應用

代仲

【摘要】：電力信息系統數據的安全傳輸關系著整個電網的安全運行，為保證電力信息數據在傳輸過程中不會被竊聽或被破譯，需要一種嚴格的加密方式。由于計算機計算能力的不斷提高，傳統加密算法面臨著安全性削弱的挑戰。量子通信技術是一種在原理上比較安全的加密方式，將其應用于電力信息系統的數據傳輸中，可大幅提高系統的安全性。通過對量子通信技術的原理分析，針對電力生產和管理信息數據的特殊性，提出適用于電力信息系統數據加密的實施方案和量子通信網規劃。

【關鍵詞】：量子通信技術；電力信息；保密傳輸；應用

1、技術原理

1.1量子通信原理

量子通信技術以量子密鑰分配技術為基礎，該技術利用單光子不可分割、量子態不可復制的特性實現通信、雙方的安全密鑰分配，結合“一次一密”實現不可破譯的無條件安全加密通信。光在沿著傳播方向前進的同時，也在垂直的方向上振動，該振動是一種量子狀態。不同于傳統數字光通信，量子通信能夠將信息編碼并加載到單光子的振動方向上，根據單光子不可分割、量子態不可復制的特性，量子狀態是無法被精確復制的。在量子加密的傳輸過程中，任何的竊聽行為都會對量子狀態造成擾動，實現了通信雙方對數據傳輸的狀態監視，能夠察覺到數據被竊聽并進行規避。因此，通過量子狀態的傳輸，雙方可根據量子狀態協商將其轉化為二進制數，形成完全隨機的加密密鑰，以實現對原數據“一次一密”的加密保護。即使密文在傳輸過程被竊取，竊取者也無法計算出完全隨機的密鑰并對其破解，由此最大限度地保障了數據的安全性。

1.2量子加密系統

量子保密通信系統在實際應用中的基本模型如圖1所示。該系統需要兩種信道，一種是業務數據原來傳輸所用的經典信道，一種是量子密鑰傳輸所用的單獨信道，目前該信道必須為裸纖直連。雙方密鑰生成器通過對發送單光子量子態的判斷，將量子態按協商的規律轉為二進制碼，因為單光子的狀態發送是完全隨機的，且在傳輸過程中不可能被竊取，因此雙方最終能夠生成相同的完全隨機的二進制密鑰。通過量子加密機，將原數據與密鑰進行“一次一密”，加密后經發送機在原來的經典信道上進行傳輸。對方用相同的密鑰解密即可。、 圖1量子加密系統基本模型

2、量子通信技術的應用

2.1應用場景

將量子通信技術應用于電力信息系統中，可實現對電力生產業務和管理信息業務的信息數據傳輸保護。首先，針對電力行業中的電網生產業務進行數據加密傳輸，實現對電網生產的安全保護。如涉及電網生產的保護、安控、調度電話、調度自動化等，這些數據網是電力安全生產的重要基礎，承載著電網生產運行的實時狀態與控制指令，對電網的安全運行具有重要意義。采用量子通信方式保護電力調度數據網、配網自動化等，可實現電力生產信息的安全傳輸。其次，電力系統企業管理信息，如企業人力資源、辦公系統、郵件系統、電視電話系統、營銷系統等，承載著重要敏感數據，對電網的穩定運行也起著重要支撐作用，這些數據的泄露會導致電網系統的危險。因此在該場景下，利用量子加密技術進行數據傳輸保護同樣具備可行性。最后，電力數據的信息災備是保障電網安全的最后一道防線，當出現自然原因或人為因素導致電力系統數據癱瘓時，異地的信息數據災備就起了重要作用，及時的數據恢復能夠保證電力系統的正常運行。所以對于電力系統異地或同城的數據災備，仍然也需要高可靠的加密方式實現數據的安全保護。同樣量子保密通信系統可應用于該場景中。

2.2物理架構部署

對于目前的量子保密通信系統，除經典信道傳輸密文外，還需要一條專門用于傳輸量子密鑰的光纖信道。由于技術發展的局限性，該信道的限制條件比較嚴格。首先，量子密鑰信道必須是裸纖傳輸，即兩點間傳輸的光纖不能經過光放大器、光交換、路由器等設備，只能通過物理方式進行跳接，且不能與其他承載業務共用光纖。所以若在電力行業應用量子通信技術，必須提前考慮量子信道是否具有纖芯資源。其次，單站點之間的光纖距離在50km左右、總損耗在13dB內，如果距離遠大于此，就會使得量子密鑰在傳輸中因過大損耗產生精確度的缺失。為實現遠距離的量子通信，就必須建立中繼站實現量子密鑰的中轉，保證發端與接收端最終能夠生成相同的加密/解密密鑰。

2.3電力系統量子通信網規劃

第一，利用量子科學實驗衛星，建立遠距離、跨大區，甚至跨大洲的國際量子通信互聯網。根據目前國家已部署的量子衛星地面接收站情況，可考慮將新疆南山接收站與河北興隆地面接收站作為跨省互聯試點，實現東西部的電力信息傳輸，并作為東西部其他城域網接入的集合點。同時，利用國家建立的京滬干線，實現電力系統在京滬主干線的接入，完成南北部互通，并在京滬沿線將經過的各網省以量子通信方式接入，實現從干線到各點的擴散和延長。

第二，前期可在重要城市建立城域內的量子通信網，對電力重要業務的保護進行驗證和應用，為后續量子通信在電力行業的廣泛應用提供試點基礎。利用國家建立的城市量子通信實驗網資源并考慮政治、經濟重要地區，可選取北京、濟南、合肥、上海等地自主建立區域量子通信網絡。

結語

量子通信技術作為信息通信領域重要的發展方向，探索其在電力信息系統中的應用是非常有意義和前瞻性的工作。本文通過對量子通信技術原理和應用現狀進行分析，并結合電力行業中對重要數據的安全傳輸需求性，提出將量子通信技術應用于電力信息系統的數據傳輸過程。借助量子通信的高可靠性和不可破譯性，為電力信息系統的數據安全提供了一種可適用的解決方案。通過對電力行業的現狀分析，提出了量子通信在電力行業的適用場景，為后續的實際建設和驗證提供了指導方向。同時針對目前存在的問題給出了后續的建議和量子通信網的建設規劃。

【參考文獻】：

[1]周正威，陳巍，孫方穩，等.量子信息技術縱覽[J].科學通報，2012（12）：10-12.

[2]許華醒.量子通信網絡發展概述[J].中國電子科學研究院學報，2014（3）：259-261.

[3]劉義銘，黃益盛，王運兵，等.量子通信的特色和局限性分析[J].信息安全與通信保密，2011（9）：47-49.