量子科技
虽然很神秘
但其实离我们并不遥远
它作为
新一轮科技革命和产业变革的
前沿领域
具有重大科学意义和战略价值
量子+电力“新赛道”进展如何？
日前
合肥候店量子应用示范变电站
正式投入使用
该站是我国首个应用覆盖
量子测量、量子通信、量子计算
三大方向的在运变电站
它的建成投运
标志着量子技术在电力行业
产业化应用方面取得重大突破
▲合肥候店量子应用示范变电站
什么是量子
量子能为电网带来什么
量子应用示范变电站有哪些新技术
……
这些疑问
我们一个个回答
量子力学
揭秘微观世界的奇妙
科学的进步
推动人类对“光”的理解
越发深入细致
1900年
德国物理学家普朗克
首次提出“量子”概念
他假定光辐射与物质相互作用时
产生的能量不是连续的
而是一份一份的
一份“能量”就是“量子”
▲普朗克提出“量子”概念
5年后
另一位伟大科学家继续打破
人们“能量是连续性的”的固有认知
将对“量子”的认知
推到一个新的高度
你知道吗？
当光照射到金属表面时
会把金属的电子给“打”出来
当“打”出来的电子开始移动
就形成了电流
也就有了电
这种自然现象叫
光电效应
但增加光照时间
和光的连续性
并不能把更多电子“打”出来
经典物理理论
无法解释这种现象
1905年
年轻的科学家爱因斯坦
用“量子”解开了光电效应难题
他提出了“光量子”的假说
认为光辐射的能量本身
就是“量子化”的
换句话说
光是由
一份份“能量包”构成的
“能量包”大小跟强度
也就是连续性没有关系
而是和频率有关
这也就为“光是粒子”
提供了确凿证据
▲量子纠缠概念三维渲染
这种新认知将人类的视线
带入微观世界里
吸引了玻尔、海森堡、薛定谔等
一代又一代的科学家
走进那令人心驰神往的
量子世界
建构了一个重新认识
物理世界的认知体系
如今
量子力学成为
现代物理学的两大支柱之一
带来了原子能、半导体、激光
核磁共振、超导
和全球卫星定位系统等
重大技术发明
从根本上改变了
人类的生活方式和社会面貌
量子精密测量
精准捕捉电网微变化
量子与电力“碰撞”
会擦出怎样的火花呢？
我们先聊聊量子精密测量
精密测量
是科学研究的基础
可以说
整个现代自然科学和物质文明
是伴随着测量精度的
不断提升而发展的
以时间测量为例
从古代的日晷、水钟
到近代的机械钟
再到现代的石英钟、原子钟
随着时间测量的精度不断提升
通信、导航等技术
才得以不断发展
给人们生活带来极大的便利
也为新的科学发现提供了利器
量子精密测量
则是利用量子力学规律
对时间、频率、
加速度、电磁场等物理量
进行高精度与高灵敏度的测量
用以
寻找暗物质、暗能量的踪迹
提高核磁共振精度实现精准医疗
开展更为精密的深海探测
……
▲世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”
那么
量子测量用在电力系统上
究竟要测什么呢？
新型电力系统中
电流测量范围变得更广
小到几微安培
大至上百千安培
依靠传统测量技术
无法满足测量精度要求
量子精密测量
可以通过对
声、光、电、热等特征量的
高灵敏测量
捕捉电网的微变化
在早期发现设备异常情况
并迅速传达给相关人员
提高应急处置效率
▲量子精密测量示意图
合肥候店量子应用示范变电站
应用了国网安徽电力科学研究院
电力量子感知实验室
自主研发的
量子电流互感器
量子一体式直流电能表
开关柜多参量传感器
等首台套设备
实现电网运行和
设备状态的精准感知
▲量子交流电流互感器二次柜
该站应用的量子电流互感器
是世界首款
基于量子效应的电流互感器
它采用金刚石作为传感材料
通过对金刚石中电子能级的
操控和读取
将电力系统电流测量精度
提升近百倍
▲量子电流互感器
▲量子电流互感器原理结构
开关柜是电力系统中
接受和分配电能的重要装置
由于长时间处于复杂的运行环境中
开关柜内部或其绝缘系统可能发生
局部电气放电现象
进而导致绝缘材料的
逐步劣化、失效
甚至引发电气故障
一款芯片大小的
探索微观世界的新工具
解决了上述问题
▲开关柜多参量传感器
国网安徽电科院
电力量子感知实验室
应用纳米尺寸的量子点材料
研制开关柜多参量传感器
实现最高一亿分之一的
气体成分微量检测
“一亿分之一”是什么概念呢？
拿拼图举例解释
↓↓↓
我们常见尺寸的拼图拼块
一亿片大约能铺满
超过3个标准足球场的区域
假设其中混入了1片其他的拼块
我们的传感器就能马上发现
立即捕捉
将隐患消除于萌芽之中
量子通信
给信息传输前所未有的“安全感”
电网不仅是电力传输系统
也是信息通信系统
发、输、变、配、用
每一个环节都涉及海量的信息
保证数据安全传输
任务艰巨
绝密通信——量子通信技术
可以实现
电网关键业务数据加密传输
▲量子保密通信原理
在量子加密的通信过程中
每个量子态都代表了
一个可能的密钥
只有正确的密钥
才能打开通信的通道
由于量子态的不可预测性
每被测量一次
都会发生变化
因此
任何“非法闯入者”
“窃听”密钥的行为
都会被第一时间感知
只有“合法”的两个通信者
通过制定协议
才能得到确定的信息
因此利用量子态来代表信息
可以有效防止信息被“窃听”
合肥候店量子应用示范变电站
建立了量子密钥分发平台
通过电力量子加密设备
实现调度自动化、
配电自动化、巡检无人机等的
数据加密
▲变电站实现巡检无人机通信加密
拿巡检无人机举例
帮你理解整个加密过程
↓↓↓
执行巡检任务前
无人机从量子密钥分发平台
获取量子密钥
执行任务期间
一旦出现任何“窃听”行为
都会立即被平台检测到
更厉害的是
信息即便被拦截
也会因为量子态的改变
而无法被识别
即便是使用无限的计算资源
和最强的物理手段
也无法破解这种通信方式
从而守护
控制指令、高清图像、视频等
海量信息安全
量子计算
探索电网大规模仿真的新路径
电力系统的安全稳定运行
离不开大规模分析计算的保障
量子计算如何赋能电网大规模仿真？
它与传统计算的区别又在哪里？
近日
谷歌发布
新一代量子计算芯片Wilow
谷歌宣称
在特定计算任务中
量子计算芯片Wilow
完成一项标准计算
仅需要5分钟
而超级计算机需要亿万年才能搞定
消息一出
便在全球科技界引起了巨大的轰动
如此强大的算力从何而来
这就要先了解一下
量子计算机截然不同的计算模式
我们的老朋友——传统计算机
使用0或者1的比特来存储信息
N位比特的处理器
在同一时刻只能存储一种状态
超算领域的超级“特长生”
——量子计算机
以量子比特
作为信息编码和存储的基本单元
依靠量子比特之间的“纠缠”
获得算力
相互纠缠的量子比特数越多
算力就越强
N位量子比特的处理器
在同一时刻
可以同时保存2的N次方个状态
▲经典计算与量子计算的算力对比
看一组数据
来直观体会一下
如果用每秒运算
万亿次的传统计算机
来分解一个300位的大数
需要10万年以上
而使用量子计算机
则只需要1秒
值得骄傲的是
合肥候店量子示范站
开发应用了
基于量子计算的专用电网潮流算法
并通过国内比特数最高的
工程化超导量子计算机
——72量子比特超导量子计算机
对真实电网进行示范验证
为区域网架潮流计算、负荷预测、
稳定分析计算、电力交易等
探索一条新路径
能更精准反映电网各节点的
能量流动分布
帮助制定合理的
市场规则和价格机制
在电网发生故障或受到干扰时
为其保驾护航
量子应用示范变电站
电力量子的“样板间”
以量子信息科学为代表的量子科技
正在不断形成新的科学前沿
激发革命性的科技创新
孕育对人类社会产生巨大影响的
颠覆性技术
在我国
总里程超过10000千米的
国家量子骨干网已全线贯通
量子科学实验卫星“墨子号”
已成功发射
70亿年误差不超过一秒的
高精度光钟亦成功研制
量子激光雷达、磁场精密探测等
若干方向均达到
国际领先或先进水平
一句话
量子科技已成为
新质生产力的关键新赛道
▲研究人员在电力量子感知实验室开展光路实验
面向经济主战场和国家重大需求
国家电网公司
布局电力量子技术研发应用
挖掘能源转型发展下
电网测量、设备检测、数据通信等
领域技术革新需要
结合安徽合肥量子技术创新策源地优势
打造合肥候店量子示范站——
电力+量子的首个“样板间”
▲研究人员在电力量子感知实验室开展理论研究工作
国家电网公司联合
中国科学技术大学、合肥国家实验室等
高校和研究机构
国盾量子、国仪量子、
国盛量子等创新企业
贯通“电力+量子”产学研用链条
实施基础理论、人才培养、
实验体系、重大项目和示范工程
“五维驱动”发展战略
探索量子技术
在能源领域实用化、工程化
▲技术人员现场调试量子电流互感器
截至目前
合肥候店量子示范站已集中应用了
18类85台套电力量子技术装备
实现基础设施“跨越式”升级
“墨子”升空
“九章”问世
“祖冲之”加速
“悟空”诞生
科研走在国际前沿的安徽省
正在向研发与产业“双高地”转变
高科技产业发展
高可靠电力保障
合肥这座量子变电站的投用
正是对新型产业链的“定向加速”
试运行半年多以来
示范站保障上千家高新技术企业
获得高质量可靠电能的供应
接下来
还将有越来越多的
电网“黑科技”
走出这片创新试验田
惠及万千百姓家
以量子新质生产力
赋能新型电力系统建设
未来可期
感谢｜国网科技部 国网安徽电科院
撰稿 | 张静 周健 吴京晶
责编｜朱格侨悉 杨哈
执行审核｜郑欣月
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