量子技術(shù)發(fā)展及其電力應(yīng)用趨勢展望
來源：中能傳媒研究院 時間：2025-12-30 10:06
黨的二十屆四中全會提出培育壯大新興產(chǎn)業(yè)和未來產(chǎn)業(yè)，加強原始創(chuàng)新和關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)。量子技術(shù)作為重要未來產(chǎn)業(yè)，已連續(xù)兩年寫入《政府工作報告》，今年1月工信部印發(fā)《關(guān)于組織開展2025年未來產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新任務(wù)揭榜掛帥工作的通知》，提出推動量子技術(shù)在能源等領(lǐng)域應(yīng)用落地，為電力量子技術(shù)的研究與應(yīng)用指明了方向。
一、當(dāng)前量子技術(shù)發(fā)展態(tài)勢
量子科技是利用量子力學(xué)特征的技術(shù)統(tǒng)稱，涵蓋“量子計算”“量子通信”“量子測量”三大基礎(chǔ)方向。截至2024年，全球量子技術(shù)相關(guān)企業(yè)共600余家，美國（176家）、中國（107家）處于領(lǐng)先地位，加拿大（49家）、英國（49家）、德國（40家）等處于第二梯隊。整體來看，量子技術(shù)目前仍處于高速發(fā)展階段，具有較多應(yīng)用場景的加密、測量等技術(shù)有望在未來率先實現(xiàn)突破。
就量子測量技術(shù)而言，目前處于細(xì)分領(lǐng)域商業(yè)化應(yīng)用階段，我國處于第一梯隊。各國量子測量技術(shù)已初步在原子鐘、地球物理、資源勘探、慣性制導(dǎo)、太空重力、量子雷達(dá)等方面得到部分實踐性應(yīng)用，我國在油氣勘探、醫(yī)學(xué)檢測、材料微觀分析等領(lǐng)域率先實現(xiàn)了商業(yè)化，但并未整體實現(xiàn)技術(shù)領(lǐng)先。多數(shù)量子測量技術(shù)在磁、電、溫、時、力等領(lǐng)域均有超高精度的測量能力，但也均存在低溫、損耗、集成等方面的使用局限性。
就量子通信技術(shù)而言，目前全球處于大規(guī)模工程性試用階段，我國在量子加密網(wǎng)絡(luò)方面處于領(lǐng)先地位。我國已實現(xiàn)1200千米量子衛(wèi)星傳輸、4600千米量子密鑰分發(fā)等工程試驗，已建成量子保密“京滬干線”“武合干線”“國家廣域量子骨干網(wǎng)”等應(yīng)用工程。美國根據(jù)《國家量子計劃法案》和《全美量子互聯(lián)網(wǎng)藍(lán)圖》，已建成波士頓到華盛頓800千米級的量子通信網(wǎng)，與“京滬干線”處于同等量級。整體上，當(dāng)前多數(shù)量子通信技術(shù)，仍聚焦于以量子加密為核心的安全領(lǐng)域，目前密鑰分發(fā)、量子隨機數(shù)發(fā)生等技術(shù)應(yīng)用較為成熟和廣泛。
就量子計算技術(shù)而言，目前全球量子計算整體仍處于原型機研發(fā)階段，我國在主要細(xì)分技術(shù)路線實現(xiàn)領(lǐng)先。我國在超導(dǎo)量子計算和光量子計算兩個主要的技術(shù)路線上，均處于全球領(lǐng)先位置，美、英、加、德等國也處于前列，但整體上全球量子計算仍處于初級階段。從技術(shù)發(fā)展來看，多數(shù)量子計算技術(shù)細(xì)分路線已開展實驗試驗，部分已聲稱商用的量子計算機仍存在較高的場景局限性，離商業(yè)化成熟仍有距離。
二、未來量子技術(shù)發(fā)展趨勢
未來量子技術(shù)將在多個細(xì)分領(lǐng)域率先突破與應(yīng)用，量子計算技術(shù)在電力領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大。
一是未來量子測量的應(yīng)用成本將進一步下降，普適性將逐步提升，可能在油氣領(lǐng)域率先實現(xiàn)突破。研判認(rèn)為，未來量子測量技術(shù)有望在多種類高精測量的專業(yè)場景中實現(xiàn)示范，成本將逐漸下降，在油氣勘探等少數(shù)領(lǐng)域?qū)⒙氏葘崿F(xiàn)普適性應(yīng)用。
二是量子通信仍將聚焦于高安全加密場景，量子加密技術(shù)成本與裝置研發(fā)值得電力行業(yè)高度關(guān)注。量子通信相對經(jīng)典通信，擁有近乎絕對的安全性。研判認(rèn)為，未來量子加密裝置成本有望大幅下降，量子加密通信在政務(wù)、金融、軍事、能源等行業(yè)的整體解決方案將進一步成熟，量子加密技術(shù)應(yīng)用更為廣泛。
三是量子計算機目前仍不具備商業(yè)化應(yīng)用前景，但有望以云平臺的方式率先實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。目前，中國電信等企業(yè)已成功開發(fā)多個量子計算云平臺，向社會提供量子計算云服務(wù)，極大降低了量子計算機的應(yīng)用難度。研判認(rèn)為，未來量子計算機的普適性應(yīng)用，有望以為特定高價值場景開發(fā)專用算法程序的方式，在云平臺上率先實現(xiàn)。
三、量子技術(shù)十大電力應(yīng)用場景
新型電力系統(tǒng)未來將面臨著超大規(guī)模計算量、超多測量應(yīng)用場景、超高通信安全和超精密時間等新要求，有望率先實現(xiàn)量子技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。整理當(dāng)前各電力企業(yè)及相關(guān)行業(yè)已展開的量子應(yīng)用情況，近期電力量子技術(shù)的應(yīng)用主要有如下十大場景。
場景一：電力通信骨干網(wǎng)絡(luò)量子加密
量子保密通信可用于保護政企專網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施及其服務(wù)的安全性，已在合肥、濟南、武漢、海口、貴陽等政府部門率先實現(xiàn)應(yīng)用。目前，各省級電力公司部分調(diào)度、通信線路已成功試驗線路級加密，未來新型電力系統(tǒng)的骨干通信網(wǎng)絡(luò)，也可采用較為成熟的解決方案，進一步實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)級加密。
場景二：電力數(shù)據(jù)傳輸終端量子加密
目前終端加密已在電力開關(guān)、斷路器、監(jiān)測設(shè)備上進行了多種試點試驗，未來可能面向調(diào)度、營銷等核心數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娏σ苿咏K端設(shè)備，針對數(shù)據(jù)交互的“最后一公里”問題使用量子加密技術(shù)以增強安全性。目前，針對終端的量子加密技術(shù)已在人民銀行、工商銀行、建設(shè)銀行等金融機構(gòu)ATM、POS機上率先應(yīng)用。
場景三：云端、數(shù)據(jù)中心及災(zāi)備中心量子加密
在不同的電力數(shù)據(jù)中心之間進行數(shù)據(jù)備份及業(yè)務(wù)連續(xù)性等業(yè)務(wù)時，量子保密通信可以用于保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。目前，該項技術(shù)已在阿里云數(shù)據(jù)中心率先應(yīng)用。公司災(zāi)備中心、數(shù)據(jù)中心進一步強化數(shù)據(jù)貫通，可以考慮使用量子加密技術(shù)保障穩(wěn)定同步。
場景四：重要活動及區(qū)域電力通信量子加密
面向奧運保電、重點核心區(qū)域保電等典型場景，可以在電話、網(wǎng)絡(luò)及電力通信中采用量子加密技術(shù)以增強通信安全性。2021年，國網(wǎng)公司在杭州亞運保電中，使用了世界首臺配網(wǎng)量子加密智能開關(guān)，有效保護了亞運電網(wǎng)安全。
場景五：電力設(shè)備局部放電量子傳感檢測
利用量子檢測技術(shù)可以為電力設(shè)備局部放電等微弱信號進行精準(zhǔn)識別與傳感。目前，國網(wǎng)公司在利用光量子進行開關(guān)柜及組合電器局部放電、南網(wǎng)公司在利用金剛石色心量子進行變壓器局部放電方面均有較多的工程試驗。
場景六：超特高壓交直流輸變電工程電流電壓測量
面向超/特高壓環(huán)境電流測量設(shè)備精度不足、穩(wěn)定性不夠、技術(shù)難以自主掌控的難題，基于金剛石色心量子傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)各電壓等級交直流輸變電工程電流、電壓測量。2025年1月，南方電網(wǎng)聯(lián)合中國電氣裝備，已成功研制全球首套±800千伏量子電流傳感器，滿足1毫安至10千安范圍內(nèi)、萬分之六的寬量程、高精度電流測量。
場景七：振動、氣流、氣體等量子監(jiān)測
高壓電纜在風(fēng)力作用下易產(chǎn)生高頻低幅振動，變電設(shè)備維護與故障診斷需要對氣流及氣體吸收系數(shù)進行精準(zhǔn)量測，基于量子傳感器能夠有效精細(xì)感知電力設(shè)備及其周邊氣流氣體的變化。2024年11月，國網(wǎng)合肥候店變電站已成功應(yīng)用多項量子監(jiān)測技術(shù)及相關(guān)設(shè)備；南網(wǎng)也形成了基于非正交量子測量的氣體檢測方法及裝置。
場景八：儲能電池全生命周期健康水平監(jiān)測
儲能電池涉及10~30年的超長服役周期，傳統(tǒng)檢測手段存在精度不足、破壞性檢測等痛點，當(dāng)前主要以高冗余來應(yīng)對電池性能退化引發(fā)的安全隱患。因此，實時準(zhǔn)確地監(jiān)測電池狀態(tài)參數(shù)，有利于保障電池安全運行、延長電池壽命、優(yōu)化儲能系統(tǒng)性能、推動電池智能管理。目前，日本已實現(xiàn)金剛石量子傳感器高精度監(jiān)測電動汽車電池，可以有效精確監(jiān)測電池工作狀態(tài)。
場景九：精確統(tǒng)一電力系統(tǒng)時間頻率標(biāo)準(zhǔn)量值
電力計量、信通、調(diào)度、繼保和自動化的授時授頻服務(wù)需求和實驗室現(xiàn)場或遠(yuǎn)程時頻裝置檢測，對時間頻率標(biāo)準(zhǔn)量值有高精細(xì)化需求。量子時鐘及其同步技術(shù)能夠有效提升當(dāng)前電力時間頻率量值傳遞體系，進一步提升電力系統(tǒng)控制水平。目前，中國電科院已建立“三氫三銫”鐘組，處于國際電力時間頻率標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)先水平，但相較國際領(lǐng)先的鋁離子量子邏輯光鐘還有精度上的量級差距。
場景十：電網(wǎng)潮流量子計算
新型電力系統(tǒng)中，分布式新能源主體和多元負(fù)荷的大量接入，導(dǎo)致電網(wǎng)潮流計算難度劇增。量子計算能在特定環(huán)境下，開發(fā)專用算法對電網(wǎng)點、負(fù)荷點、樞紐點、平衡點的功率、電壓、相位角等進行高速計算，進一步提升電力系統(tǒng)整體的控制水平。目前，國網(wǎng)公司已建成合肥候店量子應(yīng)用示范變電站示范工程，開發(fā)了基于量子計算的專用電網(wǎng)潮流算法并在超導(dǎo)量子計算機上對示范站區(qū)域真實電網(wǎng)進行示范驗證，但應(yīng)用條件較為苛刻，普適性和推廣性仍有較大提升空間。
四、電力量子技術(shù)應(yīng)用展望
一是應(yīng)用方面，近期電力量子技術(shù)應(yīng)用仍將聚焦在通信及安全領(lǐng)域。從當(dāng)前技術(shù)發(fā)展水平來看，量子加密通信的整體解決方案較為成熟，基于量子效應(yīng)的傳感設(shè)備體系逐漸豐富，但量子計算各類細(xì)分技術(shù)仍多處于實驗室階段。從當(dāng)前產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平來看，以國盾、國儀、賦同量子為代表的相關(guān)企業(yè)已開始布局場景業(yè)務(wù)體系，部分與核磁、儀器產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)度較好的應(yīng)用場景率先實現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用，部分電工裝備企業(yè)也針對自身業(yè)務(wù)需求，開始自研量子設(shè)備及裝置。近期來看，電力量子通信主要在骨干通信加密、終端及云端加密、重要活動安保等場景展開應(yīng)用，電力量子測量主要聚焦在重要電力設(shè)備設(shè)施的電壓、電力、氣體、震動、磁場等物理量監(jiān)測場景，面向特定安全場景與科研需求。
二是場景方面，未來量子計算及抗量子加密的電力應(yīng)用場景眾多，潛力巨大。預(yù)計“十五五”期間，通信運營商、高校和科技企業(yè)均會推出量子計算云平臺，平臺應(yīng)用將逐步從實驗探索邁入應(yīng)用試驗。新型電力系統(tǒng)中，新能源出力預(yù)測、群調(diào)群控、電網(wǎng)仿真、潮流計算、負(fù)荷預(yù)測等高計算需求的場景眾多，如電力量子計算設(shè)備、量子算法、量子云服務(wù)實現(xiàn)算法適配，則有望改變電力系統(tǒng)生產(chǎn)運營方式。與此同時，作為抵抗量子計算高解密能力的抗量子加密技術(shù)，在電力調(diào)度、通信等高安全領(lǐng)域，有望實現(xiàn)實用化的系統(tǒng)性研究與落地。此外，梳理量子企業(yè)、社會及相關(guān)學(xué)術(shù)觀點，研判“十五五”期間電力應(yīng)用場景，未來量子技術(shù)的電力應(yīng)用場景及其發(fā)展應(yīng)用模式如表所示。
三是技術(shù)方面，未來有望以“經(jīng)典負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理，量子專攻復(fù)雜計算”的融合方式解決新型電力系統(tǒng)復(fù)雜計算問題。新型電力系統(tǒng)計算需求巨大，量子計算的超高計算能力有望實現(xiàn)精細(xì)化分布式地能源供需調(diào)控。未來電力量子將使用“量子—經(jīng)典”混合計算架構(gòu)，以經(jīng)典計算機負(fù)責(zé)電力數(shù)據(jù)的處理，量子計算專攻復(fù)雜場景的計算，在電力氣象、新能源出力預(yù)測、潮流計算等復(fù)雜計算場景率先實現(xiàn)“量子計算”應(yīng)用。（劉鍵燁 傅成程）
責(zé)任編輯：閆弘旭
