量子變電站究竟是什么變電站

量子科技雖然很神秘，但其實(shí)離我們并不遙遠(yuǎn)。它作為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的前沿領(lǐng)域，具有重大科學(xué)意義和戰(zhàn)略價(jià)值。

量子+電力“新賽道”進(jìn)展如何？

日前，合肥候店量子應(yīng)用示范變電站正式投入使用，該站是我國(guó)首個(gè)應(yīng)用覆蓋量子測(cè)量、量子通信、量子計(jì)算三大方向的在運(yùn)變電站。它的建成投運(yùn)，標(biāo)志著量子技術(shù)在電力行業(yè)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面取得重大突破。

什么是量子？量子能為電網(wǎng)帶來什么？量子應(yīng)用示范變電站有哪些新技術(shù)？

……

這些疑問，我們一個(gè)個(gè)回答。

1 量子力學(xué)，揭秘微觀世界的奇妙科學(xué)的進(jìn)步，推動(dòng)人類對(duì)“光”的理解越發(fā)深入細(xì)致。1900年，德國(guó)物理學(xué)家普朗克首次提出“量子”概念，他假定光輻射與物質(zhì)相互作用時(shí)，產(chǎn)生的能量不是連續(xù)的，而是一份一份的，一份“能量”就是“量子”。

5年后，另一位偉大科學(xué)家繼續(xù)打破人們“能量是連續(xù)性的”的固有認(rèn)知，將對(duì)“量子”的認(rèn)知推到一個(gè)新的高度。你知道嗎？當(dāng)光照射到金屬表面時(shí)，會(huì)把金屬的電子給“打”出來，當(dāng)“打”出來的電子開始移動(dòng)，就形成了電流，也就有了電，這種自然現(xiàn)象叫光電效應(yīng)。

但增加光照時(shí)間和光的連續(xù)性，并不能把更多電子“打”出來，經(jīng)典物理理論無法解釋這種現(xiàn)象。

1905年，年輕的科學(xué)家愛因斯坦，用“量子”解開了光電效應(yīng)難題。他提出了“光量子”的假說，認(rèn)為光輻射的能量本身就是“量子化”的，換句話說光是由一份份“能量包”構(gòu)成的，“能量包”大小跟強(qiáng)度也就是連續(xù)性沒有關(guān)系，而是和頻率有關(guān)，這也就為“光是粒子”提供了確鑿證據(jù)。

這種新認(rèn)知將人類的視線帶入微觀世界里，吸引了玻爾、海森堡、薛定諤等一代又一代的科學(xué)家，走進(jìn)那令人心馳神往的量子世界，建構(gòu)了一個(gè)重新認(rèn)識(shí)物理世界的認(rèn)知體系。如今量子力學(xué)成為現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱之一，帶來了原子能、半導(dǎo)體、激光核磁共振、超導(dǎo)和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)等重大技術(shù)發(fā)明，從根本上改變了人類的生活方式和社會(huì)面貌。

2 量子精密測(cè)量，精準(zhǔn)捕捉電網(wǎng)微變化

量子與電力“碰撞”會(huì)擦出怎樣的火花呢？我們先聊聊量子精密測(cè)量。

精密測(cè)量是科學(xué)研究的基礎(chǔ)，可以說整個(gè)現(xiàn)代自然科學(xué)和物質(zhì)文明是伴隨著測(cè)量精度的不斷提升而發(fā)展的。

以時(shí)間測(cè)量為例，從古代的日晷、水鐘，到近代的機(jī)械鐘，再到現(xiàn)代的石英鐘、原子鐘，隨著時(shí)間測(cè)量的精度不斷提升通信、導(dǎo)航等技術(shù)才得以不斷發(fā)展，給人們生活帶來極大的便利，也為新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)提供了利器。

量子精密測(cè)量，則是利用量子力學(xué)規(guī)律對(duì)時(shí)間、頻率、加速度、電磁場(chǎng)等物理量進(jìn)行高精度與高靈敏度的測(cè)量。用以尋找暗物質(zhì)、暗能量的蹤跡，提高核磁共振精度實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)醫(yī)療，開展更為精密的深海探測(cè)……

那么量子測(cè)量用在電力系統(tǒng)上究竟要測(cè)什么呢？

新型電力系統(tǒng)中，電流測(cè)量范圍變得更廣小到幾微安培，大至上百千安培，依靠傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)無法滿足測(cè)量精度要求。量子精密測(cè)量可以通過對(duì)聲、光、電、熱等特征量的高靈敏測(cè)量捕捉電網(wǎng)的微變化，在早期發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常情況并迅速傳達(dá)給相關(guān)人員，提高應(yīng)急處置效率。合肥候店量子應(yīng)用示范變電站，應(yīng)用了國(guó)網(wǎng)安徽電力科學(xué)研究院電力量子感知實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的量子電流互感器、量子一體式直流電能表、開關(guān)柜多參量傳感器等首臺(tái)套設(shè)備，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行和設(shè)備狀態(tài)的精準(zhǔn)感知。

該站應(yīng)用的量子電流互感器，是世界首款基于量子效應(yīng)的電流互感器。它采用金剛石作為傳感材料，通過對(duì)金剛石中電子能級(jí)的操控和讀取，將電力系統(tǒng)電流測(cè)量精度提升近百倍。開關(guān)柜是電力系統(tǒng)中接受和分配電能的重要裝置，由于長(zhǎng)時(shí)間處于復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境中，開關(guān)柜內(nèi)部或其絕緣系統(tǒng)可能發(fā)生局部電氣放電現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致絕緣材料的逐步劣化、失效，甚至引發(fā)電氣故障。一款芯片大小的探索微觀世界的新工具解決了上述問題。國(guó)網(wǎng)安徽電科院電力量子感知實(shí)驗(yàn)室，應(yīng)用納米尺寸的量子點(diǎn)材料，研制開關(guān)柜多參量傳感器，實(shí)現(xiàn)最高一億分之一的氣體成分微量檢測(cè)。

“一億分之一”是什么概念呢？拿拼圖舉例解釋。我們常見尺寸的拼圖拼塊一億片大約能鋪滿超過3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)足球場(chǎng)的區(qū)域，假設(shè)其中混入了1片其他的拼塊，我們的傳感器就能馬上發(fā)現(xiàn)立即捕捉將隱患消除于萌芽之中。

3 量子通信，給信息傳輸前所未有的“安全感”

電網(wǎng)不僅是電力傳輸系統(tǒng)，也是信息通信系統(tǒng)，發(fā)、輸、變、配、用每一個(gè)環(huán)節(jié)都涉及海量的信息，保證數(shù)據(jù)安全傳輸任務(wù)艱巨。絕密通信——量子通信技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)關(guān)鍵業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密傳輸。在量子加密的通信過程中每個(gè)量子態(tài)都代表了一個(gè)可能的密鑰，只有正確的密鑰，才能打開通信的通道，由于量子態(tài)的不可預(yù)測(cè)性，每被測(cè)量一次都會(huì)發(fā)生變化，因此，任何“非法闖入者”“竊聽”密鑰的行為都會(huì)被第一時(shí)間感知，只有“合法”的兩個(gè)通信者通過制定協(xié)議，才能得到確定的信息。因此利用量子態(tài)來代表信息，可以有效防止信息被“竊聽”。

合肥候店量子應(yīng)用示范變電站建立了量子密鑰分發(fā)平臺(tái)，通過電力量子加密設(shè)備實(shí)現(xiàn)調(diào)度自動(dòng)化、配電自動(dòng)化、巡檢無人機(jī)等的。數(shù)據(jù)加密

拿巡檢無人機(jī)舉例，幫你理解整個(gè)加密過程。執(zhí)行巡檢任務(wù)前，無人機(jī)從量子密鑰分發(fā)平臺(tái)，獲取量子密鑰，執(zhí)行任務(wù)期間，一旦出現(xiàn)任何“竊聽”行為，都會(huì)立即被平臺(tái)檢測(cè)到，更厲害的是，信息即便被攔截，也會(huì)因?yàn)榱孔討B(tài)的改變，而無法被識(shí)別，即便是使用無限的計(jì)算資源，和最強(qiáng)的物理手段，也無法破解這種通信方式，從而守護(hù)，控制指令、高清圖像、視頻等，海量信息安全。

4量子計(jì)算，探索電網(wǎng)大規(guī)模仿真的新路徑

電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，離不開大規(guī)模分析計(jì)算的保障，量子計(jì)算如何賦能電網(wǎng)大規(guī)模仿真？它與傳統(tǒng)計(jì)算的區(qū)別又在哪里？

近日，谷歌發(fā)布，新一代量子計(jì)算芯片Wilow，谷歌宣稱，在特定計(jì)算任務(wù)中量子計(jì)算芯片Wilow，完成一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算僅需要5分鐘，而超級(jí)計(jì)算機(jī)需要億萬年才能搞定。

消息一出，便在全球科技界引起了巨大的轟動(dòng)，如此強(qiáng)大的算力從何而來，這就要先了解一下，量子計(jì)算機(jī)截然不同的計(jì)算模式。我們的老朋友——傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，使用0或者1的比特來存儲(chǔ)信息，N位比特的處理器，在同一時(shí)刻只能存儲(chǔ)一種狀態(tài)，超算領(lǐng)域的超級(jí)“特長(zhǎng)生”，以量子比特，作為信息編碼和存儲(chǔ)的基本單元，依靠量子比特之間的“糾纏”，獲得算力，相互糾纏的量子比特?cái)?shù)越多，算力就越強(qiáng)。N位量子比特的處理器，在同一時(shí)刻，可以同時(shí)保存2的N次方個(gè)狀態(tài)。

看一組數(shù)據(jù)來直觀體會(huì)一下，如果用每秒運(yùn)算，萬億次的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，來分解一個(gè)300位的大數(shù)，需要10萬年以上，而使用量子計(jì)算機(jī)，則只需要1秒。

值得驕傲的是，合肥候店量子示范站開發(fā)應(yīng)用基于量子計(jì)算的專用電網(wǎng)潮流算法，并通過國(guó)內(nèi)比特?cái)?shù)最高的，工程化超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)對(duì)真實(shí)電網(wǎng)進(jìn)行示范驗(yàn)證，為區(qū)域網(wǎng)架潮流計(jì)算、負(fù)荷預(yù)測(cè)、，穩(wěn)定分析計(jì)算、電力交易等，探索一條新路徑，能更精準(zhǔn)反映電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的，能量流動(dòng)分布幫助制定合理的市場(chǎng)規(guī)則和價(jià)格機(jī)制，在電網(wǎng)發(fā)生故障或受到干擾時(shí)為其保駕護(hù)航。

5 量子應(yīng)用示范變電站，電力量子的“樣板間”

以量子信息科學(xué)為代表的量子科技，正在不斷形成新的科學(xué)前沿，激發(fā)革命性的科技創(chuàng)新，孕育對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生巨大影響的顛覆性技術(shù)。

在我國(guó)，總里程超過10000千米的國(guó)家量子骨干網(wǎng)已全線貫通，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”已成功發(fā)射，70億年誤差不超過一秒的，高精度光鐘亦成功研制量子激光雷達(dá)、磁場(chǎng)精密探測(cè)等，若干方向均達(dá)到，國(guó)際領(lǐng)先或先進(jìn)水平。

一句話，量子科技已成為新質(zhì)生產(chǎn)力的關(guān)鍵新賽道。面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)和國(guó)家重大需求，國(guó)家電網(wǎng)公司，布局電力量子技術(shù)研發(fā)應(yīng)用，挖掘能源轉(zhuǎn)型發(fā)展下，電網(wǎng)測(cè)量、設(shè)備檢測(cè)、數(shù)據(jù)通信等，領(lǐng)域技術(shù)革新需要，結(jié)合安徽合肥量子技術(shù)創(chuàng)新策源地優(yōu)勢(shì)，打造合肥候店量子示范站——電力+量子的首個(gè)“樣板間”。

國(guó)家電網(wǎng)公司聯(lián)合，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、合肥國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等，高校和研究機(jī)構(gòu)，國(guó)盾量子、國(guó)儀量子、，國(guó)盛量子等創(chuàng)新企業(yè)，貫通“電力+量子”產(chǎn)學(xué)研用鏈條，實(shí)施基礎(chǔ)理論、人才培養(yǎng)、，實(shí)驗(yàn)體系、重大項(xiàng)目和示范工程，“五維驅(qū)動(dòng)”發(fā)展戰(zhàn)略，探索量子技術(shù)，在能源領(lǐng)域?qū)嵱没⒐こ袒?/span>

截至目前，合肥候店量子示范站已集中應(yīng)用了，18類85臺(tái)套電力量子技術(shù)裝備，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施“跨越式”升級(jí)，“墨子”升空，“九章”問世，“祖沖之”加速，“悟空”誕生，科研走在國(guó)際前沿的安徽省，正在向研發(fā)與產(chǎn)業(yè)“雙高地”轉(zhuǎn)變，高科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展，高可靠電力保障，合肥這座量子變電站的投用，正是對(duì)新型產(chǎn)業(yè)鏈的“定向加速”，試運(yùn)行半年多以來，示范站保障上千家高新技術(shù)企業(yè)，獲得高質(zhì)量可靠電能的供應(yīng)，接下來，還將有越來越多的，電網(wǎng)“黑科技”，走出這片創(chuàng)新試驗(yàn)田，惠及萬千百姓家，以量子新質(zhì)生產(chǎn)力，賦能新型電力系統(tǒng)建設(shè)，未來可期。