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量子技術(shù)發(fā)展及其電力應(yīng)用趨勢(shì)展望

來源：中能傳媒研究院 時(shí)間：2025-12-30 10:06

　　黨的二十屆四中全會(huì)提出培育壯大新興產(chǎn)業(yè)和未來產(chǎn)業(yè)，加強(qiáng)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(bào)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(dòng)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(shì)

　　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(jì)算”“量子通信”“量子測(cè)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(guó)（176家）、中國(guó)（107家）處于領(lǐng)先地位，加拿大（49家）、英國(guó)（49家）、德國(guó)（40家）等處于第二梯隊(duì)。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(chǎng)景的加密、測(cè)量等技術(shù)有望在未來率先實(shí)現(xiàn)突破。

　　就量子測(cè)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(guó)處于第一梯隊(duì)。各國(guó)量子測(cè)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(shí)踐性應(yīng)用，我國(guó)在油氣勘探、醫(yī)學(xué)檢測(cè)、材料微觀分析等領(lǐng)域率先實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化，但并未整體實(shí)現(xiàn)技術(shù)領(lǐng)先。多數(shù)量子測(cè)量技術(shù)在磁、電、溫、時(shí)、力等領(lǐng)域均有超高精度的測(cè)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(guó)在量子加密網(wǎng)絡(luò)方面處于領(lǐng)先地位。我國(guó)已實(shí)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(yàn)，已建成量子保密“京滬干線”“武合干線”“國(guó)家廣域量子骨干網(wǎng)”等應(yīng)用工程。美國(guó)根據(jù)《國(guó)家量子計(jì)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(jí)的量子通信網(wǎng)，與“京滬干線”處于同等量級(jí)。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(jī)數(shù)發(fā)生等技術(shù)應(yīng)用較為成熟和廣泛。

　　就量子計(jì)算技術(shù)而言，目前全球量子計(jì)算整體仍處于原型機(jī)研發(fā)階段，我國(guó)在主要細(xì)分技術(shù)路線實(shí)現(xiàn)領(lǐng)先。我國(guó)在超導(dǎo)量子計(jì)算和光量子計(jì)算兩個(gè)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(guó)也處于前列，但整體上全球量子計(jì)算仍處于初級(jí)階段。從技術(shù)發(fā)展來看，多數(shù)量子計(jì)算技術(shù)細(xì)分路線已開展實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)，部分已聲稱商用的量子計(jì)算機(jī)仍存在較高的場(chǎng)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(shì)

　　未來量子技術(shù)將在多個(gè)細(xì)分領(lǐng)域率先突破與應(yīng)用，量子計(jì)算技術(shù)在電力領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大。

　　一是未來量子測(cè)量的應(yīng)用成本將進(jìn)一步下降，普適性將逐步提升，可能在油氣領(lǐng)域率先實(shí)現(xiàn)突破。研判認(rèn)為，未來量子測(cè)量技術(shù)有望在多種類高精測(cè)量的專業(yè)場(chǎng)景中實(shí)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?shí)現(xiàn)普適性應(yīng)用。

　　二是量子通信仍將聚焦于高安全加密場(chǎng)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(duì)經(jīng)典通信，擁有近乎絕對(duì)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(jìn)一步成熟，量子加密技術(shù)應(yīng)用更為廣泛。

　　三是量子計(jì)算機(jī)目前仍不具備商業(yè)化應(yīng)用前景，但有望以云平臺(tái)的方式率先實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。目前，中國(guó)電信等企業(yè)已成功開發(fā)多個(gè)量子計(jì)算云平臺(tái)，向社會(huì)提供量子計(jì)算云服務(wù)，極大降低了量子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用難度。研判認(rèn)為，未來量子計(jì)算機(jī)的普適性應(yīng)用，有望以為特定高價(jià)值場(chǎng)景開發(fā)專用算法程序的方式，在云平臺(tái)上率先實(shí)現(xiàn)。

　　三、量子技術(shù)十大電力應(yīng)用場(chǎng)景

　　新型電力系統(tǒng)未來將面臨著超大規(guī)模計(jì)算量、超多測(cè)量應(yīng)用場(chǎng)景、超高通信安全和超精密時(shí)間等新要求，有望率先實(shí)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(chǎng)景。

　　場(chǎng)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(hù)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(jì)南、武漢、?？?、貴陽等政府部門率先實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。目前，各省級(jí)電力公司部分調(diào)度、通信線路已成功試驗(yàn)線路級(jí)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(jìn)一步實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)級(jí)加密。

　　場(chǎng)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(cè)設(shè)備上進(jìn)行了多種試點(diǎn)試驗(yàn)，未來可能面向調(diào)度、營(yíng)銷等核心數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娏σ苿?dòng)終端設(shè)備，針對(duì)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(qiáng)安全性。目前，針對(duì)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(jī)構(gòu)ATM、POS機(jī)上率先應(yīng)用。

　　場(chǎng)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(jìn)行數(shù)據(jù)備份及業(yè)務(wù)連續(xù)性等業(yè)務(wù)時(shí)，量子保密通信可以用于保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴Ｄ壳?，該?xiàng)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(jìn)一步強(qiáng)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(chǎng)景四：重要活動(dòng)及區(qū)域電力通信量子加密

　　面向奧運(yùn)保電、重點(diǎn)核心區(qū)域保電等典型場(chǎng)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(qiáng)通信安全性。2021年，國(guó)網(wǎng)公司在杭州亞運(yùn)保電中，使用了世界首臺(tái)配網(wǎng)量子加密智能開關(guān)，有效保護(hù)了亞運(yùn)電網(wǎng)安全。

　　場(chǎng)景五：電力設(shè)備局部放電量子傳感檢測(cè)

　　利用量子檢測(cè)技術(shù)可以為電力設(shè)備局部放電等微弱信號(hào)進(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別與傳感。目前，國(guó)網(wǎng)公司在利用光量子進(jìn)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(jìn)行變壓器局部放電方面均有較多的工程試驗(yàn)。

　　場(chǎng)景六：超特高壓交直流輸變電工程電流電壓測(cè)量

　　面向超/特高壓環(huán)境電流測(cè)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(jí)交直流輸變電工程電流、電壓測(cè)量。2025年1月，南方電網(wǎng)聯(lián)合中國(guó)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(cè)量。

　　場(chǎng)景七：振動(dòng)、氣流、氣體等量子監(jiān)測(cè)

　　高壓電纜在風(fēng)力作用下易產(chǎn)生高頻低幅振動(dòng)，變電設(shè)備維護(hù)與故障診斷需要對(duì)氣流及氣體吸收系數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)量測(cè)，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(guó)網(wǎng)合肥候店變電站已成功應(yīng)用多項(xiàng)量子監(jiān)測(cè)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(cè)量的氣體檢測(cè)方法及裝置。

　　場(chǎng)景八：儲(chǔ)能電池全生命周期健康水平監(jiān)測(cè)

　　儲(chǔ)能電池涉及10~30年的超長(zhǎng)服役周期，傳統(tǒng)檢測(cè)手段存在精度不足、破壞性檢測(cè)等痛點(diǎn)，當(dāng)前主要以高冗余來應(yīng)對(duì)電池性能退化引發(fā)的安全隱患。因此，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)電池狀態(tài)參數(shù)，有利于保障電池安全運(yùn)行、延長(zhǎng)電池壽命、優(yōu)化儲(chǔ)能系統(tǒng)性能、推動(dòng)電池智能管理。目前，日本已實(shí)現(xiàn)金剛石量子傳感器高精度監(jiān)測(cè)電動(dòng)汽車電池，可以有效精確監(jiān)測(cè)電池工作狀態(tài)。

　　場(chǎng)景九：精確統(tǒng)一電力系統(tǒng)時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)量值

　　電力計(jì)量、信通、調(diào)度、繼保和自動(dòng)化的授時(shí)授頻服務(wù)需求和實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)程時(shí)頻裝置檢測(cè)，對(duì)時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)量值有高精細(xì)化需求。量子時(shí)鐘及其同步技術(shù)能夠有效提升當(dāng)前電力時(shí)間頻率量值傳遞體系，進(jìn)一步提升電力系統(tǒng)控制水平。目前，中國(guó)電科院已建立“三氫三銫”鐘組，處于國(guó)際電力時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)先水平，但相較國(guó)際領(lǐng)先的鋁離子量子邏輯光鐘還有精度上的量級(jí)差距。

　　場(chǎng)景十：電網(wǎng)潮流量子計(jì)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(jì)算難度劇增。量子計(jì)算能在特定環(huán)境下，開發(fā)專用算法對(duì)電網(wǎng)點(diǎn)、負(fù)荷點(diǎn)、樞紐點(diǎn)、平衡點(diǎn)的功率、電壓、相位角等進(jìn)行高速計(jì)算，進(jìn)一步提升電力系統(tǒng)整體的控制水平。目前，國(guó)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(jì)算的專用電網(wǎng)潮流算法并在超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)上對(duì)示范站區(qū)域真實(shí)電網(wǎng)進(jìn)行示范驗(yàn)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(jì)算各類細(xì)分技術(shù)仍多處于實(shí)驗(yàn)室階段。從當(dāng)前產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平來看，以國(guó)盾、國(guó)儀、賦同量子為代表的相關(guān)企業(yè)已開始布局場(chǎng)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(chǎng)景率先實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用，部分電工裝備企業(yè)也針對(duì)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(dòng)安保等場(chǎng)景展開應(yīng)用，電力量子測(cè)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(dòng)、磁場(chǎng)等物理量監(jiān)測(cè)場(chǎng)景，面向特定安全場(chǎng)景與科研需求。

　　二是場(chǎng)景方面，未來量子計(jì)算及抗量子加密的電力應(yīng)用場(chǎng)景眾多，潛力巨大。預(yù)計(jì)“十五五”期間，通信運(yùn)營(yíng)商、高校和科技企業(yè)均會(huì)推出量子計(jì)算云平臺(tái)，平臺(tái)應(yīng)用將逐步從實(shí)驗(yàn)探索邁入應(yīng)用試驗(yàn)。新型電力系統(tǒng)中，新能源出力預(yù)測(cè)、群調(diào)群控、電網(wǎng)仿真、潮流計(jì)算、負(fù)荷預(yù)測(cè)等高計(jì)算需求的場(chǎng)景眾多，如電力量子計(jì)算設(shè)備、量子算法、量子云服務(wù)實(shí)現(xiàn)算法適配，則有望改變電力系統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)方式。與此同時(shí)，作為抵抗量子計(jì)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(shí)現(xiàn)實(shí)用化的系統(tǒng)性研究與落地。此外，梳理量子企業(yè)、社會(huì)及相關(guān)學(xué)術(shù)觀點(diǎn)，研判“十五五”期間電力應(yīng)用場(chǎng)景，未來量子技術(shù)的電力應(yīng)用場(chǎng)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(jì)算”的融合方式解決新型電力系統(tǒng)復(fù)雜計(jì)算問題。新型電力系統(tǒng)計(jì)算需求巨大，量子計(jì)算的超高計(jì)算能力有望實(shí)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(jì)算架構(gòu)，以經(jīng)典計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)電力數(shù)據(jù)的處理，量子計(jì)算專攻復(fù)雜場(chǎng)景的計(jì)算，在電力氣象、新能源出力預(yù)測(cè)、潮流計(jì)算等復(fù)雜計(jì)算場(chǎng)景率先實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算”應(yīng)用。（劉鍵燁 傅成程）

責(zé)任編輯：閆弘旭