中能觀察 | 量子科技解鎖能源新可能
來源：中國能源新聞網(wǎng) 時間：2025-12-04 14:21
中國能源新聞網(wǎng)記者 楊苗苗
量子糾纏、量子態(tài)疊加這些神奇的量子力學(xué)現(xiàn)象，沖擊著我們對經(jīng)典物理世界的認(rèn)知。通俗來講，量子糾纏是指空間上相隔甚遠(yuǎn)的粒子能夠保持強(qiáng)相關(guān)性，而量子態(tài)疊加則是允許粒子同時處于多個狀態(tài)。
正如物理學(xué)家費(fèi)曼所言：“沒有人真正理解量子力學(xué)。”然而，正是這種“難以理解”的特性，孕育著難以想象的潛在能量。量子力學(xué)是20世紀(jì)最重要的科學(xué)成就之一，以其為基礎(chǔ)的量子科技將催生新的產(chǎn)業(yè)變革，涵蓋量子通信、量子計(jì)算、量子傳感等多個領(lǐng)域，應(yīng)用場景持續(xù)拓展。
在能源領(lǐng)域，量子加密技術(shù)正在構(gòu)建無法被竊聽的信息高速公路；量子精密測量為石油勘探和地質(zhì)監(jiān)測提供精準(zhǔn)支持；量子傳感通過高精度的數(shù)據(jù)采集和處理，為能源系統(tǒng)故障診斷和預(yù)測提供有力保障。
《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十五個五年規(guī)劃的建議》提出要培育壯大新興產(chǎn)業(yè)和未來產(chǎn)業(yè)，量子科技便是未來高技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一，將為我國經(jīng)濟(jì)大盤穩(wěn)定、高質(zhì)量發(fā)展注入源源不斷的新動能。
量子通信在能源領(lǐng)域應(yīng)用逐步深化
量子通信是量子技術(shù)在能源領(lǐng)域應(yīng)用的重要方向之一。
傳統(tǒng)通信技術(shù)依賴光子的波動性質(zhì)進(jìn)行信息傳遞，而量子通信則利用量子態(tài)疊加和糾纏特性來提升通信的安全性與效率。由于量子態(tài)在測量過程中會發(fā)生不可逆的坍縮，一旦存在竊聽行為便能立即被察覺，從而有效保障通信安全。例如，量子密鑰分發(fā)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)幾乎無法破解的安全通信，這對保障能源系統(tǒng)信息安全具有重要意義。
目前，量子通信技術(shù)已步入實(shí)用化階段。
我國“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星成功實(shí)現(xiàn)全球首次星地量子通信，北京至上海的量子保密通信干線也已順利建成。這兩項(xiàng)成果相互銜接，共同構(gòu)建了全球首個天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)。
量子通信技術(shù)在能源領(lǐng)域的應(yīng)用正逐步深化，為電網(wǎng)調(diào)度、基礎(chǔ)設(shè)施安全等提供堅(jiān)實(shí)支撐。通過量子加密通道，電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程指令傳輸?shù)慕^對防篡改與防竊聽，大幅提升了關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施的抗干擾能力。
2023年杭州亞運(yùn)會成功應(yīng)用配網(wǎng)量子加密技術(shù)?！霸O(shè)備遙測正常，報文已加密?！本嚯x杭州亞運(yùn)會蓮花主場館不遠(yuǎn)的架空線上，投運(yùn)了世界首臺配網(wǎng)量子加密智能開關(guān)，這也是國際大型賽事首次應(yīng)用量子加密電力設(shè)備。量子加密技術(shù)與電力設(shè)備的深度融合有效落地，不僅保障了電力信息傳輸?shù)陌踩?，還極大提升了配網(wǎng)故障處理的時效性，使杭州亞運(yùn)賽事電網(wǎng)安全保障達(dá)到全球領(lǐng)先的電網(wǎng)通信安全等級。
事實(shí)上，自2021年起，國網(wǎng)浙江電力便開始在全省范圍內(nèi)布局量子通信技術(shù)。2025年9月，浙江首次成功實(shí)現(xiàn)分布式能源的聚合量子加密傳輸。由于浙江省內(nèi)多數(shù)分布式能源設(shè)施位于偏遠(yuǎn)山區(qū)，光纖鋪設(shè)困難，且無線通信存在數(shù)據(jù)竊聽、指令篡改等安全風(fēng)險，量子通信技術(shù)成為解決上述難題的關(guān)鍵。
試點(diǎn)應(yīng)用選在紹興市新昌縣。該縣擁有近100座在運(yùn)小水電站，且多分布于山區(qū)地帶。針對這一情況，國網(wǎng)浙江電力創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了“聚合—接入”雙階段量子加密方案：首先，利用無線量子加密技術(shù)，將分散在山區(qū)的小水電站數(shù)據(jù)“匯集成流”，安全接入?yún)^(qū)域集控站；隨后，通過光纖量子加密技術(shù)，將聚合后的數(shù)據(jù)傳輸至地區(qū)調(diào)度系統(tǒng)。該方案在電力領(lǐng)域首次實(shí)現(xiàn)125公里長距離的“光纖+量子”數(shù)據(jù)加密傳輸，較傳統(tǒng)量子加密傳輸距離提升30%。
下一步，該公司計(jì)劃將試點(diǎn)應(yīng)用擴(kuò)展至儲能站和小光伏電站，借助量子通信科技，實(shí)現(xiàn)全要素分布式能源的安全入網(wǎng)、高效調(diào)度。
量子計(jì)算在電力系統(tǒng)的應(yīng)用加速推進(jìn)
雖然目前量子計(jì)算仍處于發(fā)展階段，但其在能源領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊。
量子計(jì)算利用量子糾纏和量子態(tài)疊加效應(yīng)，能夠產(chǎn)生比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更高效的計(jì)算能力。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)使用二進(jìn)制比特，而量子計(jì)算機(jī)采用量子比特，使某些計(jì)算任務(wù)的執(zhí)行速度大幅提升。
量子算法可有效解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)難以求解的復(fù)雜問題，進(jìn)而推動能源領(lǐng)域內(nèi)大規(guī)模數(shù)據(jù)分析和模型優(yōu)化；此外，量子計(jì)算機(jī)還可用于能源系統(tǒng)的模擬與優(yōu)化，幫助人們更好地預(yù)測能源系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律，為能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。
2025年3月，“祖沖之三號”量子計(jì)算原型機(jī)成功構(gòu)建，處理量子隨機(jī)線路采樣問題的速度比目前國際最快的超級計(jì)算機(jī)快千萬億倍，可見傳統(tǒng)計(jì)算速度難以匹敵量子“暴力”計(jì)算的優(yōu)勢。
量子技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用正加速推進(jìn)。
2024年11月，國內(nèi)首座量子應(yīng)用示范變電站——220千伏合肥候店量子應(yīng)用示范變電站建成投用，標(biāo)志著量子科技在電力行業(yè)的應(yīng)用取得重要突破。
該變電站匯集了量子配網(wǎng)電流互感器、量子無損探傷儀、量子激光雷達(dá)等18類85臺（套）電力量子科技應(yīng)用成果。
在量子計(jì)算方面，該站開發(fā)了基于量子線性求解的電網(wǎng)潮流計(jì)算方法，并在國內(nèi)比特?cái)?shù)最高的工程化量子計(jì)算機(jī)——72比特超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“本源悟空”上完成了真實(shí)電網(wǎng)拓?fù)渚W(wǎng)架的計(jì)算驗(yàn)證。這一突破為大規(guī)模電網(wǎng)仿真計(jì)算提供了全新技術(shù)路線，有望進(jìn)一步提升電力系統(tǒng)實(shí)時分析計(jì)算能力。
當(dāng)前，眾多企業(yè)與科研院所正積極布局量子計(jì)算在電力系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用。
北京玻色量子科技有限公司與廣西大學(xué)高放教授團(tuán)隊(duì)成功合作開發(fā)基于共識的分布式量子分解算法，針對含大規(guī)?？稍偕茉唇尤氲碾娏ο到y(tǒng)調(diào)度難題，實(shí)現(xiàn)了安全約束機(jī)組組合問題的高效求解；華為公司研發(fā)出量子安全通信技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用方案，通過在電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)中部署量子安全通信設(shè)備，有效抵御潛在網(wǎng)絡(luò)攻擊，確保電力調(diào)度指令等關(guān)鍵信息的安全傳輸；清華大學(xué)相關(guān)科研團(tuán)隊(duì)在量子計(jì)算與電力系統(tǒng)優(yōu)化方面開展深入研究，提出基于量子退火算法的電力系統(tǒng)無功優(yōu)化方法，通過對電力系統(tǒng)中的無功功率進(jìn)行優(yōu)化配置，有效降低了電網(wǎng)有功損耗，提高了電力系統(tǒng)運(yùn)行效率。
盡管當(dāng)前仍面臨一些技術(shù)和應(yīng)用層面的挑戰(zhàn)——例如量子計(jì)算硬件的穩(wěn)定性與可靠性尚待提升，量子算法與電力系統(tǒng)實(shí)際需求的匹配度也需進(jìn)一步優(yōu)化。但隨著技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步和創(chuàng)新的不斷推動，這些問題正逐步得到有效解決，量子計(jì)算技術(shù)的巨大潛力在與電力系統(tǒng)深度融合過程中逐步顯現(xiàn)。
量子傳感為設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控提供全新方案
量子傳感器是一種利用量子效應(yīng)進(jìn)行信號檢測的裝置。與傳統(tǒng)傳感器相比，量子傳感器具有更高的靈敏度和更低的噪聲水平，能夠精確測量微小的能量變化，這對能源領(lǐng)域的環(huán)境監(jiān)測和設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測具有重要意義。
對于電網(wǎng)而言，傳感器猶如人體的神經(jīng)末梢，無時無刻不在感知和測量各類數(shù)據(jù)，實(shí)時反映系統(tǒng)健康水平。傳統(tǒng)電流傳感器容易受復(fù)雜天氣、強(qiáng)電磁環(huán)境等因素影響，在測量精度、抗干擾能力方面存在不足。
對此，南方電網(wǎng)科研團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國內(nèi)20余家科研單位、設(shè)備廠商，攻克了量子傳感器的量子態(tài)調(diào)控、極端環(huán)境封裝等世界級技術(shù)難題，并在昆柳龍直流工程柳州換流站實(shí)現(xiàn)成功應(yīng)用。
2025年4月8日，世界首套±800千伏特高壓直流量子電流傳感器在昆柳龍直流工程柳州換流站投入運(yùn)行，標(biāo)志著我國電力領(lǐng)域首個量子傳感技術(shù)國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目取得重大突破。
依托量子特性，這套傳感器可在零下40攝氏度至85攝氏度的極端環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)從毫安級到10千安級的超寬量程覆蓋，成功將量子精密測量技術(shù)拓展到常規(guī)工業(yè)溫度范圍，為量子科技進(jìn)入更多工業(yè)領(lǐng)域打開想象空間。
南方電網(wǎng)公司輸配電部副總經(jīng)理高錫明介紹，相比傳統(tǒng)電流傳感器，該傳感器精度提高了近4倍，無論直流處于空載還是重載狀態(tài)，都能實(shí)現(xiàn)高精度監(jiān)測，并實(shí)時傳遞至后臺，為特高壓直流輸電系統(tǒng)提供極高的測量可靠性保障。
柳州換流站是世界首個特高壓多端柔性直流輸電工程——昆柳龍直流工程的重要組成部分。量子傳感技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向如此重要的能源樞紐站，具有劃時代的示范意義。
據(jù)了解，南方電網(wǎng)將持續(xù)攻關(guān)量子電場、量子電壓等技術(shù)，謀求在量子基礎(chǔ)材料、光電核心部件、傳感關(guān)鍵算法等方面取得重大突破，進(jìn)一步培育自主知識產(chǎn)權(quán)和重大工程成果，并通過量子傳感技術(shù)迭代與發(fā)、輸、變、配、用和新能源等多場景應(yīng)用拓展，加速推動科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新融合發(fā)展，促進(jìn)傳統(tǒng)動能煥新升級。
此外，中國電科院在量子標(biāo)準(zhǔn)與量子傳感方面取得多項(xiàng)成果，搭建了包含量子電壓、電流、電能、時間頻率標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)與量子電流互感器的電力量子測量平臺。電力行業(yè)首套量子電壓標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)通過自主研制的量子電壓電子式互感器校驗(yàn)儀，解決了數(shù)字量溯源難題；量子電流標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)基于光陰極電子槍與熒光探測技術(shù)，在電流強(qiáng)度、電流穩(wěn)定性等方面達(dá)到國際先進(jìn)水平；量子電能標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)將電能量值溯源至自然物理常數(shù)，提升了公司電能計(jì)量能力；量子時間頻率標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)是以“三氫三銫”鐘組為核心的公司時間頻率最高計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置，與國家時間頻率基準(zhǔn)偏差小于8納秒。
未來，量子傳感技術(shù)將為新型電力系統(tǒng)中的交直流混聯(lián)控制、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控和新能源并網(wǎng)提供全新解決方案，革新測量體系。其產(chǎn)業(yè)鏈涵蓋材料、芯片、傳感器、電力設(shè)備、電網(wǎng)運(yùn)營和新能源開發(fā)等環(huán)節(jié)，將成為建設(shè)新型電力系統(tǒng)和推動全球能源轉(zhuǎn)型的重要支撐。
隨著量子計(jì)算和量子傳感等領(lǐng)域的不斷進(jìn)步，研究人員也積極致力于將量子科技拓展到其他應(yīng)用，例如儲能。
據(jù)悉，與傳統(tǒng)儲能方式相比，量子儲能具有更高的能量密度和更寬的能量適用范圍。這意味著在相同體積或質(zhì)量下，量子儲能可存儲更多能量，或在不同應(yīng)用場景下實(shí)現(xiàn)能量的靈活轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)，這對可再生能源的儲存和調(diào)度具有重要意義，有助于提高能源系統(tǒng)的效率和可靠性。
盡管目前量子儲能技術(shù)尚未能實(shí)際部署應(yīng)用，但它無疑是探索高效能量存儲途徑的重要方向之一。
量子技術(shù)具有獨(dú)特優(yōu)勢，能夠解決傳統(tǒng)能源領(lǐng)域面臨的一些關(guān)鍵問題。然而，要實(shí)現(xiàn)這些潛在價值，還需要克服一些技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面的挑戰(zhàn)：例如，量子技術(shù)的商業(yè)化成本較高，需要進(jìn)一步降低研發(fā)和生產(chǎn)成本；同時，量子技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和兼容性問題也需要得到解決。
不過，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和研究的不斷深入，我們有理由相信，未來量子技術(shù)將在能源領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用，為人類社會發(fā)展帶來更加清潔、高效和可持續(xù)的能源資源。
責(zé)任編輯：劉礎(chǔ)琪
