面向新型电力系统的量子保密通信技术及应用

doi:10.12267/j.issn.2096-5931.2025.07.005

摘要/Abstract

摘要：

随着新型电力系统建设,源网荷储广泛互动,多种业务数据频繁交互、多种通信方式融合组网,电力系统将面临更多的网络攻击,业务数据传输面临更大的安全风险。基于量子力学原理的量子保密通信技术,结合香农“一次一密”理论可实现信息论上的无条件安全性,为提升电力系统通信安全提供可行方案。分析了面向新型电力系统“采—传—存—用”各环节的通信安全提升需求,系统总结了量子密钥分发、量子随机数以及抗量子密码的技术原理、应用现状和国内外技术进展,提出后续技术研究及应用建议,旨在提升电网业务数据交互端到端安全性,助力电力系统构建具备抗量子计算的信息通信基础设施。

关键词: 新型电力系统, 量子密钥分发, 量子随机数, 抗量子密码

Abstract:

With the construction of the new power system, there are extensive interaction between source, grid, load, and storage, frequent interaction of various business data, and the integration of multiple communication methods into a network. The power system will face more network attacks, and the transmission of business data will face greater security risks. The quantum secure communication technology based on quantum mechanics principles, combined with Shannon’s one-time-pad theory, can achieve unconditional security in information theory, providing a feasible solution for improving communication security in power systems. This paper first analyzes the communication security improvement requirements for each link of “acquisition-transmission-storage-use” in the new power system. Then, it summarizes the technical principles, application situation, and domestic and foreign technological progress of quantum key distribution, quantum random numbers, and post quantum cryptography. Finally, it proposes follow-up technical research and application suggestions, aiming to improve the end-to-end security of power grid business data interaction, and help the power system to build information and communication infrastructure with anti-quantum computing capabilities.

Key words: new power system, quantum key distribution, quantum random number, post quantum cryptography

中图分类号:

TM73
TN918

冯宝, 赵子岩, 卞宇翔, 吕超, 王开创. 面向新型电力系统的量子保密通信技术及应用[J]. 信息通信技术与政策, 2025, 51(7): 33-42.

FENG Bao, ZHAO Ziyan, BIAN Yuxiang, LYU Chao, WANG Kaichuang. Quantum secure communication technology and application for new power system[J]. Information and Communications Technology and Policy, 2025, 51(7): 33-42.

导出引用管理器 EndNote|Ris|BibTeX

链接本文:

http://ictp.caict.ac.cn/CN/10.12267/j.issn.2096-5931.2025.07.005

http://ictp.caict.ac.cn/CN/Y2025/V51/I7/33

图/表 10

参考文献 19

[1]	冯宝, 李国春, 俞学豪, 等. 量子保密通信电网应用情况及研究进展[J]. 信息通信技术与政策, 2021, 47(7):39-45. doi: 10.12267/j.issn.2096-5931.2021.07.006
[2]	BENNETT C H, BRASSARD G. Quantum cryptography: public key distribution and coin tossing[J]. arXiv Preprint, arXiv: 2003. 06557, 2014.
[3]	唐鹏毅, 李国春, 高松, 等. 针对电力悬空光缆量子密钥分发的高速偏振反馈算法[J]. 光学学报, 2018, 38(1):91-97.
[4]	高德荃, 陈智雨, 王栋, 等. 面向电网应用的量子保密通信系统VPN实测分析[J]. 电力信息与通信技术, 2017, 15(10):38-42.
[5]	CHEN J P, ZHANG C, LIU Y, et al. Twin-field quantum key distribution over a 511 km optical fiber linking two distant metropolitan areas[J]. Nature Photonics, 2021(15):570-575.
[6]	WANG S, YIN Z Q, HE D Y, et al. Twin-field quantum key distribution over 830-km fiber[J]. Nature Photonics, 2022(16): 154-161.
[7]	LIU Y, ZHANG W J, JIANG C, et al. Experimental twin-field quantum key distribution over 1 000 km fiber distance[J]. Physical Review Letters, 2023(130): 210801.
[8]	WANG X B. Beating the photon-number-splitting attack in practical quantum cryptography[J]. Physical Review Letters, 2005(94): 230503.
[9]	LO H K, MA X, CHENC K. Decoy state quantum key distribution[J]. Physical Review Letters, 2005(94): 230504.
[10]	LO H K, CURTY M, QI B. Measurement-device-independent quantum key distribution[J]. Physical Review Letters, 2012, 108(13): 130503.
[11]	冯宝, 刘金锁, 牟霄寒, 等. 星地一体电力量子保密通信关键技术研究及应用[J]. 电力信息与通信技术, 2021, 19(11):1-8.
[12]	CHEN Y A, ZHANG Q, CHEN T Y, et al. An integrated space-to-ground quantum communication network over 4 600 kilometers[J]. Nature, 2021(589): 214-219.
[13]	LI Y, CAI W Q, REN J G, et al. Microsatellite-based real-time quantum key distribution[J]. Nature, 2025(640): 47-54.
[14]	TIAN X H, YANG R, LIU H Y, et al. Experimental demonstration of drone-based quantum key distribution[J]. Physical Review Letters, 2024(133): 200801.
[15]	金振阳, 万相奎, 廖涛, 等. 基于真空涨落的高速量子随机数产生[J]. 量子电子学报, 2023, 40(6):933-942. doi: 10.3969/j.issn.1007-5461.2023.06.013
[16]	NIE Y Q, HUANG L L, LIU Y, et al. The generation of 68 Gbps quantum random number by measuring laser phase fluctuations[J]. Review of Scientific Instruments, 2015, 86(6): 063105.
[17]	CÉDRIC B S, TOBIAS G, COSMO L, et al. 100-Gbit/s integrated quantum random number generator based on vacuum fluctuations[J]. PRX Quantum, 2023(4): 010330.
[18]	OOI B, BAKR O, ALMOGBEL A, et al. Micro-LED-based quantum random number generators[J]. Optics Express, 2025(33): 22154-22164.
[19]	LIU Y, ZHAO Q, LI M H, et al. Device-independent quantum random-number generation[J]. Nature, 2018(562):548-551.

年份	城市	典型成码率	组网类型	业务应用验证	备注
2017年	合肥	2.03 kbit/s @33 km/8 dB	点到点、基于光开关的点到多点	调度自动化、银电专线、电话电视会议
2017年	南京	7.013 kbit/s @7.9 km/5 dB	基于光开关的点到多点	调度自动化、源网荷协调互动
2018年	合肥	12.276 kbit/s @15 km/8 dB	点到多点、可信中继	调度自动化
2018年	上海	11.468 kbit/s @28.7 km/9 dB	点到点、可信中继	首届进博会保电	利用量子 “京沪干线”
2019年	天津	21.76 kbit/s @10.6 km/6 dB	点到点	综合能源智慧管控
2020年	上海	26.7 kbit/s @41.71 km/15 dB	基于光开关的点到多点	三表集抄
2020年	盐城-淮安	7.43 kbit/s@100.1 km/23 dB	点到点	—
2023年	合肥	4.928 kbit/s @63.31 km/21 dB	点到点、可信中继	调度自动化、调度IP电话
2024年	绍兴	5.2 kbit/s @125 km/30 dB	点到点	调度自动化

年份	城市	典型成码率	组网类型	业务应用验证	备注
2017年	合肥	2.03 kbit/s @33 km/8 dB	点到点、基于光开关的点到多点	调度自动化、银电专线、电话电视会议
2017年	南京	7.013 kbit/s @7.9 km/5 dB	基于光开关的点到多点	调度自动化、源网荷协调互动
2018年	合肥	12.276 kbit/s @15 km/8 dB	点到多点、可信中继	调度自动化
2018年	上海	11.468 kbit/s @28.7 km/9 dB	点到点、可信中继	首届进博会保电	利用量子 “京沪干线”
2019年	天津	21.76 kbit/s @10.6 km/6 dB	点到点	综合能源智慧管控
2020年	上海	26.7 kbit/s @41.71 km/15 dB	基于光开关的点到多点	三表集抄
2020年	盐城-淮安	7.43 kbit/s@100.1 km/23 dB	点到点	—
2023年	合肥	4.928 kbit/s @63.31 km/21 dB	点到点、可信中继	调度自动化、调度IP电话
2024年	绍兴	5.2 kbit/s @125 km/30 dB	点到点	调度自动化

关注点	团队	研究方案	实现效果
更远的密钥分发距离	中科大潘建伟院士团队等	2021年,利用激光注入锁定和时频传递技术实现“发送-不发送”双场量子密钥分发(SNS-TF-QKD)^[5]	现场无中继光纤量子密钥分发,济南-青岛,511 km,3.45 bit/s^[5]
	中科大郭光灿院士团队等	2022年,改进的四相位调制双场协议^[6]	实验室,833 km^[6]
	中科大潘建伟院士团队等	2023年,利用发展低串扰相位参考信号控制、极低噪声单光子探测器等技术改进SNS TF-QKD协议^[7]	实验室,1 002 km^[7]
更安全的密钥分发协议	清华大学王向斌等	2005年,提出实用化的诱骗态BB84协议^[8]	解决发送端单光子不完美导致的光子数攻击问题
	多伦多大学罗开广等	2005年,分析了诱骗态方案并给出严格的安全性证明^[9]	证明了使用非理想的单光子源,采用诱骗态方案,仍可保证安全性
	香港中文大学刘乃乐等	2012年,提出MDI-QKD协议^[10]	免疫接收端单光子探测器攻击

关注点	团队	研究方案	实现效果
更远的密钥分发距离	中科大潘建伟院士团队等	2021年,利用激光注入锁定和时频传递技术实现“发送-不发送”双场量子密钥分发(SNS-TF-QKD)^[5]	现场无中继光纤量子密钥分发,济南-青岛,511 km,3.45 bit/s^[5]
	中科大郭光灿院士团队等	2022年,改进的四相位调制双场协议^[6]	实验室,833 km^[6]
	中科大潘建伟院士团队等	2023年,利用发展低串扰相位参考信号控制、极低噪声单光子探测器等技术改进SNS TF-QKD协议^[7]	实验室,1 002 km^[7]
更安全的密钥分发协议	清华大学王向斌等	2005年,提出实用化的诱骗态BB84协议^[8]	解决发送端单光子不完美导致的光子数攻击问题
	多伦多大学罗开广等	2005年,分析了诱骗态方案并给出严格的安全性证明^[9]	证明了使用非理想的单光子源,采用诱骗态方案,仍可保证安全性
	香港中文大学刘乃乐等	2012年,提出MDI-QKD协议^[10]	免疫接收端单光子探测器攻击

年份	城市	量子卫星组网方案	单轨平均成码量	组网类型	业务应用验证
2019年	北京—新疆	利用量子“京沪干线”和 “墨子号”量子卫星	北京:64.8 kbit 新疆:63.7 kbit	点到点、卫星中继	广域FTP大文件传输
2021年	福州—北京	利用“墨子号”量子卫星	福州:98 kbit 北京:75 kbit	点到点、卫星中继	广域应急指挥、财务管控、办公自动化