量子線路運行方式Fig.2 Operation mode of quantum channel

現有量子網關設備實現成碼的最低要求為量子線路衰減小于13 dB。通過對現場調研分析,量子線路中F點至G點、C點至D點2段為架空ADSS光纜,受氣溫、風和雨等因素綜合影響較大。結合現場勘查得出的各段線路衰減值（見圖2）,在C點和E點兩處設立中繼站,并分別使用具有偏振反饋功能的量子網關設備,具體如圖3所示。

圖3 量子網絡節點圖Fig.3 Node graph of quantum network

示范應用選用經典“點對點”量子通信為基礎進行網絡設計。密文數據采用衛星傳輸的方式將視頻會議信息傳輸到指定的地點。業務組網拓撲如圖4所示。

圖4 業務組網拓撲Fig.4 Topology diagram of business network

1）量子信道（紅線）,用于傳輸光量子信號,兩端均連接量子網關設備。

2）經典信道（黑線）,用于量子密鑰的協商管理,兩端均連接以太網交換機（單芯光模塊）。

3）A點和G點各部署一對量子VPN設備和量子網關,量子VPN設備用于衛星數據的加密和解密。

4）中繼站由量子密鑰管理機、量子網關等設備組成,用于量子密鑰的中繼轉發。

業務數據通信使用中星6A的衛星通道,主會場G點的視頻直播數據經移動應急通信車內的量子VPN加密,發送至中星6A,模式口衛星站接收中星6A的視頻直播數據,經地埋光纖轉發到西單的量子VPN設備,解密后與視頻會議系統對接。

 4 驗證結果

在本次示范應用中,首次在電力行業使用量子態快速偏振反饋技術進行信道糾偏操作,顯著提升了電力量子網絡成碼性能。在視頻會議保障量子線路中,C點與E點間涵蓋了15 km架空光纜。由于光量子的偏振狀態在架空光纜中傳輸極易受自然環境因素影響,導致量子密鑰無法穩定形成,從而致使量子設備成碼性能降低,無法絕對保障數據的安全傳輸。為克服線路環境對量子密鑰成碼的影響,提升電力量子保密通信網絡的健壯性,量子態快速偏振反饋設備被部署在C點和E點,用于快速檢測電力架空光纜中量子偏振狀態的變化情況,并對異常變化進行糾偏操作。通過快速糾偏操作可以實現量子設備在非理想環境下正常成碼,有效提升電力量子保密通信網絡的密鑰成碼性能。本文通過對測試結果進行分析,使用量子態快速偏振反饋設備將量子信道的實際日平均有效成碼時間比率從普通設備的68.51%提升到99.76%。同時,將實際日平均有效成碼率比率從普通設備的63.41%提升到83.51%。圖5、圖6和圖7展示了量子態快速偏振反饋設備和普通設備的測試結果對比。

圖5 2種設備的測試結果對比Fig.5 Comparison of results from two devices

圖6 測試結果 (C-E)Fig.6 Test results (C-E)

圖7 測試結果 (E-G)Fig.7 Test results (E-G)

本文構建了電力量子示范應用網絡,率先實現多中繼混合組網、面向電力行業視頻直播等重大保障活動,率先在電力行業建立了量子通信技術示范應用。示范應用中基于量子中繼技術、快速糾偏技術,建立了跨越3座變電站、2段架空光纜的多中繼電力量子保密網絡,解決了復雜電力通信網絡環境下量子密鑰中繼、穩定成碼等多項技術難題。同時,率先在國內將量子保密通信與衛星應急業務系統相結合,實現了使用量子密鑰保障無線數據的安全傳輸。

信息傳輸的安全保障關鍵體現在密鑰的安全性,利用量子密鑰分發技術,可以極大增強網絡與信息安全的保障能力。通過此次視頻會議直播保障實驗數據統計可知,量子密鑰的生成速率受線路距離衰減損耗、接續損耗、風動舞動等因素影響較大。本文提出方案的穩定平均成碼率高于2 kbps,完全能夠滿足電力業務保障的數據加密需求。量子保密通信技術是使用量子密鑰分發技術代替傳統密鑰分發方式,從最根本的密鑰交換方式上提高了系統的安全性能,生成的量子密鑰具有完全的隨機性。同時密鑰更新頻率也遠高于經典加密體系,假設傳統加密采用AES128位加密,其密鑰更新周期1 h,使用目前運算最快的“太湖之光”計算機進行暴力破解,所需時間為11萬8千億億年,而使用量子加密系統可以在此基礎上將其安全性能再提升57 600倍（約68億億億年）。

 5 結語

電力量子保密通信技術的實用化在工程應用中還存在較多的難點,比如量子設備安全防護、外接設備認證、工程建設成本等問題。在項目建設和安全運維存在的難點有：研究高效的密鑰應用策略模型;討論面向電網業務的多點對多點量子保密通信組網模式;研究設計量子網絡設備和經典網絡設備的統一融合管理平臺,建設設備安全防護體系。

隨著國家全球能源互聯網戰略的逐步推進,對電力信息通信基礎設施的建設有了更高的安全要求。以量子保密通信技術為核心的新一代網絡安全防線正在形成,勢必能為能源互聯網的發展提供堅強的信息安全保障。下一步,將對量子保密通信網絡的數據加密效率進行研究,提高網絡的高安全精準化數據加密水平。