量子技術(shù)應(yīng)用正在改變世界

現(xiàn)實(shí)世界中的你可以穿墻而過嗎？文學(xué)作品中的心靈感應(yīng)可能實(shí)現(xiàn)嗎？20世紀(jì)量子理論的出現(xiàn)顛覆了人類對(duì)世界的很多看法。在量子的世界里，“穿墻術(shù)”和“心靈感應(yīng)”都有可能發(fā)生。量子理論為人類探索世界提供了無限可能，而人類現(xiàn)在能夠掌握和應(yīng)用的，還僅僅是滄海一粟。

隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)提速，電力系統(tǒng)中各類應(yīng)用、終端設(shè)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(xiàn)信息通信的絕對(duì)安全，當(dāng)中蘊(yùn)含著重塑現(xiàn)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，著名物理學(xué)家開爾文發(fā)表了《在熱和光動(dòng)力理論上空的19世紀(jì)烏云》演講。他說，動(dòng)力學(xué)理論斷言，熱和光都是運(yùn)動(dòng)的方式，但是，現(xiàn)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(jiān)實(shí)基礎(chǔ)的烏云，催生了20世紀(jì)現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱——相對(duì)論和量子力學(xué)。

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

量子是構(gòu)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，測(cè)量后的微粒和測(cè)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(fù)制，在量子力學(xué)中，不可能實(shí)現(xiàn)復(fù)制態(tài)與初始量子態(tài)完全相同。再次是量子“不可區(qū)分”，即不可能同時(shí)精確測(cè)量兩個(gè)量子態(tài)，無論采用任何測(cè)量方法，測(cè)量的結(jié)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(xiàn)顛覆了人類對(duì)微觀世界的諸多看法。特別是量子糾纏理論的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：具有糾纏態(tài)的兩個(gè)粒子無論相距多遠(yuǎn)，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——這不類似于“心靈感應(yīng)”么？事實(shí)上，基于量子糾纏理論的量子通信技術(shù)解決了人類保密通信的巨大難題。

量子技術(shù)應(yīng)用正在改變世界

量子理論的研究和技術(shù)應(yīng)用是全球前沿領(lǐng)域，目前在應(yīng)用方面，主要有量子通信、量子計(jì)算和量子測(cè)量“三兄弟”。那么，這“三兄弟”都在哪些領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用？未來又有什么發(fā)展前景？

量子通信成熟最早，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)際應(yīng)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(xiàn)出各種概率，想要中途竊取信息的黑客就無法提取出真實(shí)信息。而通過系統(tǒng)的精巧設(shè)計(jì)，真正通信的雙方卻可以“算”出真實(shí)信息。通過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(yīng)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(xiàn)了系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用。目前，我國已建成了量子通信“京滬”“滬杭”“合武”等干線，成功發(fā)射了量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”并完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

量子計(jì)算也在快速成長，目前雖沒有得到實(shí)際應(yīng)用，卻是真正的“潛力股”。由于量子具備疊加、糾纏等特性，運(yùn)算時(shí)能夠同時(shí)生成很多結(jié)果。如果能夠?qū)ζ渚_控制，選擇想要的結(jié)果，算力將獲得指數(shù)級(jí)提升。幾十個(gè)量子比特的計(jì)算機(jī)算力就能超過世界上現(xiàn)有的最強(qiáng)超級(jí)計(jì)算機(jī)。在這一領(lǐng)域，谷歌、微軟、亞馬遜等巨頭處于第一集團(tuán)，我國科技公司都大力投入，很多量子計(jì)算企業(yè)也在緊緊跟隨，但總體上都還未實(shí)現(xiàn)具體應(yīng)用。

量子測(cè)量最為“年少”，在化學(xué)與材料科學(xué)，以及生物和醫(yī)療等研究領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。由于量子都是微觀粒子，對(duì)各種擾動(dòng)特別敏感，因而能夠大大提高測(cè)量精度。在醫(yī)療檢測(cè)領(lǐng)域，量子測(cè)量技術(shù)能夠使技術(shù)人員看清楚單個(gè)DNA分子的細(xì)節(jié)，精度比目前最先進(jìn)的核磁共振提高3～4個(gè)數(shù)量級(jí)。在這一方向上，我國取得了一定成果，總體而言達(dá)到應(yīng)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(yīng)用到電網(wǎng)運(yùn)營中。尤其在量子通信方面，國網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司建立起電力量子城域示范網(wǎng)，結(jié)合量子通信“京滬干線”和“墨子號(hào)”衛(wèi)星，形成跨省電力量子應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，為各類電網(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(yīng)用。在電網(wǎng)日常業(yè)務(wù)應(yīng)用上，量子安全產(chǎn)品為調(diào)度自動(dòng)化、配電自動(dòng)化、數(shù)據(jù)災(zāi)備、銀電專線、數(shù)據(jù)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(yīng)用能夠?yàn)榉涸陔娏ξ锫?lián)網(wǎng)的信息安全保駕護(hù)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(tuán)將量子通信技術(shù)引入泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，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，有離線加密保護(hù)終端通信;在網(wǎng)絡(luò)層，有在線IP加密和非IP光路加密保護(hù)網(wǎng)絡(luò)安全;在平臺(tái)層，有數(shù)據(jù)庫量子加密保護(hù)數(shù)據(jù)安全;在應(yīng)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(jì)算可能在電網(wǎng)信息安全中貢獻(xiàn)一臂之力。用量子算法庫中的機(jī)器學(xué)習(xí)算法來分析威脅信息、判斷安全態(tài)勢(shì)，可提升安全監(jiān)測(cè)態(tài)勢(shì)感知的效率。未來，量子算法的高算力優(yōu)勢(shì)還有可能在電網(wǎng)潮流計(jì)算和穩(wěn)態(tài)分析中發(fā)揮作用。

而量子測(cè)量則有望在電網(wǎng)電氣狀態(tài)監(jiān)測(cè)方面嶄露頭角。技術(shù)人員通過監(jiān)測(cè)光在復(fù)合光纜地線傳播過程中量子狀態(tài)的變化，可以判斷該線路覆冰情況的變化。當(dāng)前，相關(guān)樣機(jī)已在研制、測(cè)試過程中。

作為公司量子技術(shù)應(yīng)用的主要支撐單位，國網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團(tuán)已和國內(nèi)權(quán)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。乘著泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)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。