量子線路運(yùn)行方式Fig.2 Operation mode of quantum channel

現(xiàn)有量子網(wǎng)關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)成碼的最低要求為量子線路衰減小于13 dB。通過對現(xiàn)場調(diào)研分析,量子線路中F點(diǎn)至G點(diǎn)、C點(diǎn)至D點(diǎn)2段為架空ADSS光纜,受氣溫、風(fēng)和雨等因素綜合影響較大。結(jié)合現(xiàn)場勘查得出的各段線路衰減值（見圖2）,在C點(diǎn)和E點(diǎn)兩處設(shè)立中繼站,并分別使用具有偏振反饋功能的量子網(wǎng)關(guān)設(shè)備,具體如圖3所示。

圖3 量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)圖Fig.3 Node graph of quantum network

示范應(yīng)用選用經(jīng)典“點(diǎn)對點(diǎn)”量子通信為基礎(chǔ)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。密文數(shù)據(jù)采用衛(wèi)星傳輸?shù)姆绞綄⒁曨l會議信息傳輸?shù)街付ǖ牡攸c(diǎn)。業(yè)務(wù)組網(wǎng)拓?fù)淙?/span>圖4所示。

圖4 業(yè)務(wù)組網(wǎng)拓?fù)?/span>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(wǎng)關(guān)設(shè)備。

2）經(jīng)典信道（黑線）,用于量子密鑰的協(xié)商管理,兩端均連接以太網(wǎng)交換機(jī)（單芯光模塊）。

3）A點(diǎn)和G點(diǎn)各部署一對量子VPN設(shè)備和量子網(wǎng)關(guān),量子VPN設(shè)備用于衛(wèi)星數(shù)據(jù)的加密和解密。

4）中繼站由量子密鑰管理機(jī)、量子網(wǎng)關(guān)等設(shè)備組成,用于量子密鑰的中繼轉(zhuǎn)發(fā)。

業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通信使用中星6A的衛(wèi)星通道,主會場G點(diǎn)的視頻直播數(shù)據(jù)經(jīng)移動應(yīng)急通信車內(nèi)的量子VPN加密,發(fā)送至中星6A,模式口衛(wèi)星站接收中星6A的視頻直播數(shù)據(jù),經(jīng)地埋光纖轉(zhuǎn)發(fā)到西單的量子VPN設(shè)備,解密后與視頻會議系統(tǒng)對接。

 4 驗(yàn)證結(jié)果

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

圖5 2種設(shè)備的測試結(jié)果對比Fig.5 Comparison of results from two devices

圖6 測試結(jié)果 (C-E)Fig.6 Test results (C-E)

圖7 測試結(jié)果 (E-G)Fig.7 Test results (E-G)

本文構(gòu)建了電力量子示范應(yīng)用網(wǎng)絡(luò),率先實(shí)現(xiàn)多中繼混合組網(wǎng)、面向電力行業(yè)視頻直播等重大保障活動,率先在電力行業(yè)建立了量子通信技術(shù)示范應(yīng)用。示范應(yīng)用中基于量子中繼技術(shù)、快速糾偏技術(shù),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(wǎng)絡(luò),解決了復(fù)雜電力通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下量子密鑰中繼、穩(wěn)定成碼等多項(xiàng)技術(shù)難題。同時(shí),率先在國內(nèi)將量子保密通信與衛(wèi)星應(yīng)急業(yè)務(wù)系統(tǒng)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了使用量子密鑰保障無線數(shù)據(jù)的安全傳輸。

信息傳輸?shù)陌踩Ｕ详P(guān)鍵體現(xiàn)在密鑰的安全性,利用量子密鑰分發(fā)技術(shù),可以極大增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)與信息安全的保障能力。通過此次視頻會議直播保障實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可知,量子密鑰的生成速率受線路距離衰減損耗、接續(xù)損耗、風(fēng)動舞動等因素影響較大。本文提出方案的穩(wěn)定平均成碼率高于2 kbps,完全能夠滿足電力業(yè)務(wù)保障的數(shù)據(jù)加密需求。量子保密通信技術(shù)是使用量子密鑰分發(fā)技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)密鑰分發(fā)方式,從最根本的密鑰交換方式上提高了系統(tǒng)的安全性能,生成的量子密鑰具有完全的隨機(jī)性。同時(shí)密鑰更新頻率也遠(yuǎn)高于經(jīng)典加密體系,假設(shè)傳統(tǒng)加密采用AES128位加密,其密鑰更新周期1 h,使用目前運(yùn)算最快的“太湖之光”計(jì)算機(jī)進(jìn)行暴力破解,所需時(shí)間為11萬8千億億年,而使用量子加密系統(tǒng)可以在此基礎(chǔ)上將其安全性能再提升57 600倍（約68億億億年）。

 5 結(jié)語

電力量子保密通信技術(shù)的實(shí)用化在工程應(yīng)用中還存在較多的難點(diǎn),比如量子設(shè)備安全防護(hù)、外接設(shè)備認(rèn)證、工程建設(shè)成本等問題。在項(xiàng)目建設(shè)和安全運(yùn)維存在的難點(diǎn)有：研究高效的密鑰應(yīng)用策略模型;討論面向電網(wǎng)業(yè)務(wù)的多點(diǎn)對多點(diǎn)量子保密通信組網(wǎng)模式;研究設(shè)計(jì)量子網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的統(tǒng)一融合管理平臺,建設(shè)設(shè)備安全防護(hù)體系。

隨著國家全球能源互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略的逐步推進(jìn),對電力信息通信基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)有了更高的安全要求。以量子保密通信技術(shù)為核心的新一代網(wǎng)絡(luò)安全防線正在形成,勢必能為能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供堅(jiān)強(qiáng)的信息安全保障。下一步,將對量子保密通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)加密效率進(jìn)行研究,提高網(wǎng)絡(luò)的高安全精準(zhǔn)化數(shù)據(jù)加密水平。