量子技術發(fā)展及其電力應用趨勢展望
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業(yè)和未來產業(yè)，加強原始創(chuàng)新和關鍵核心技術攻關。量子技術作為重要未來產業(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)《關于組織開展2025年未來產業(yè)創(chuàng)新任務揭榜掛帥工作的通知》，提出推動量子技術在能源等領域應用落地，為電力量子技術的研究與應用指明了方向。
一、當前量子技術發(fā)展態(tài)勢
量子科技是利用量子力學特征的技術統(tǒng)稱，涵蓋“量子計算”“量子通信”“量子測量”三大基礎方向。截至2024年，全球量子技術相關企業(yè)共600余家，美國（176家）、中國（107家）處于領先地位，加拿大（49家）、英國（49家）、德國（40家）等處于第二梯隊。整體來看，量子技術目前仍處于高速發(fā)展階段，具有較多應用場景的加密、測量等技術有望在未來率先實現(xiàn)突破。
就量子測量技術而言，目前處于細分領域商業(yè)化應用階段，我國處于第一梯隊。各國量子測量技術已初步在原子鐘、地球物理、資源勘探、慣性制導、太空重力、量子雷達等方面得到部分實踐性應用，我國在油氣勘探、醫(yī)學檢測、材料微觀分析等領域率先實現(xiàn)了商業(yè)化，但并未整體實現(xiàn)技術領先。多數(shù)量子測量技術在磁、電、溫、時、力等領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)絡方面處于領先地位。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，當前多數(shù)量子通信技術，仍聚焦于以量子加密為核心的安全領域，目前密鑰分發(fā)、量子隨機數(shù)發(fā)生等技術應用較為成熟和廣泛。
就量子計算技術而言，目前全球量子計算整體仍處于原型機研發(fā)階段，我國在主要細分技術路線實現(xiàn)領先。我國在超導量子計算和光量子計算兩個主要的技術路線上，均處于全球領先位置，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。從技術發(fā)展來看，多數(shù)量子計算技術細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、未來量子技術發(fā)展趨勢
未來量子技術將在多個細分領域率先突破與應用，量子計算技術在電力領域應用潛力巨大。
一是未來量子測量的應用成本將進一步下降，普適性將逐步提升，可能在油氣領域率先實現(xiàn)突破。研判認為，未來量子測量技術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)領域將率先實現(xiàn)普適性應用。
二是量子通信仍將聚焦于高安全加密場景，量子加密技術成本與裝置研發(fā)值得電力行業(yè)高度關注。量子通信相對經典通信，擁有近乎絕對的安全性。研判認為，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、金融、軍事、能源等行業(yè)的整體解決方案將進一步成熟，量子加密技術應用更為廣泛。
三是量子計算機目前仍不具備商業(yè)化應用前景，但有望以云平臺的方式率先實現(xiàn)商業(yè)化應用。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，極大降低了量子計算機的應用難度。研判認為，未來量子計算機的普適性應用，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、量子技術十大電力應用場景
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)量子技術的產業(yè)化應用。整理當前各電力企業(yè)及相關行業(yè)已展開的量子應用情況，近期電力量子技術的應用主要有如下十大場景。
場景一：電力通信骨干網(wǎng)絡量子加密
量子保密通信可用于保護政企專網(wǎng)基礎設施及其服務的安全性，已在合肥、濟南、武漢、?？?、貴陽等政府部門率先實現(xiàn)應用。目前，各省級電力公司部分調度、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，也可采用較為成熟的解決方案，進一步實現(xiàn)網(wǎng)絡級加密。
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、斷路器、監(jiān)測設備上進行了多種試點試驗，未來可能面向調度、營銷等核心數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娏σ苿咏K端設備，針對數(shù)據(jù)交互的“最后一公里”問題使用量子加密技術以增強安全性。目前，針對終端的量子加密技術已在人民銀行、工商銀行、建設銀行等金融機構ATM、POS機上率先應用。
場景三：云端、數(shù)據(jù)中心及災備中心量子加密
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)務連續(xù)性等業(yè)務時，量子保密通信可以用于保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。目前，該項技術已在阿里云數(shù)據(jù)中心率先應用。公司災備中心、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)絡及電力通信中采用量子加密技術以增強通信安全性。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，有效保護了亞運電網(wǎng)安全。
場景五：電力設備局部放電量子傳感檢測
利用量子檢測技術可以為電力設備局部放電等微弱信號進行精準識別與傳感。目前，國網(wǎng)公司在利用光量子進行開關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)境電流測量設備精度不足、穩(wěn)定性不夠、技術難以自主掌控的難題，基于金剛石色心量子傳感器，能夠實現(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、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
高壓電纜在風力作用下易產生高頻低幅振動，變電設備維護與故障診斷需要對氣流及氣體吸收系數(shù)進行精準量測，基于量子傳感器能夠有效精細感知電力設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用多項量子監(jiān)測技術及相關設備；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，當前主要以高冗余來應對電池性能退化引發(fā)的安全隱患。因此，實時準確地監(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)時間頻率標準量值
電力計量、信通、調度、繼保和自動化的授時授頻服務需求和實驗室現(xiàn)場或遠程時頻裝置檢測，對時間頻率標準量值有高精細化需求。量子時鐘及其同步技術能夠有效提升當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準領先水平，但相較國際領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荷的大量接入，導致電網(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、電力量子技術應用展望
一是應用方面，近期電力量子技術應用仍將聚焦在通信及安全領域。從當前技術發(fā)展水平來看，量子加密通信的整體解決方案較為成熟，基于量子效應的傳感設備體系逐漸豐富，但量子計算各類細分技術仍多處于實驗室階段。從當前產業(yè)發(fā)展水平來看，以國盾、國儀、賦同量子為代表的相關企業(yè)已開始布局場景業(yè)務體系，部分與核磁、儀器產業(yè)關聯(lián)度較好的應用場景率先實現(xiàn)了商業(yè)化應用，部分電工裝備企業(yè)也針對自身業(yè)務需求，開始自研量子設備及裝置。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用，電力量子測量主要聚焦在重要電力設備設施的電壓、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用場景眾多，潛力巨大。預計“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，平臺應用將逐步從實驗探索邁入應用試驗。新型電力系統(tǒng)中，新能源出力預測、群調群控、電網(wǎng)仿真、潮流計算、負荷預測等高計算需求的場景眾多，如電力量子計算設備、量子算法、量子云服務實現(xiàn)算法適配，則有望改變電力系統(tǒng)生產運營方式。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，在電力調度、通信等高安全領域，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)、社會及相關學術觀點，研判“十五五”期間電力應用場景，未來量子技術的電力應用場景及其發(fā)展應用模式如表所示。
三是技術方面，未來有望以“經典負責數(shù)據(jù)處理，量子專攻復雜計算”的融合方式解決新型電力系統(tǒng)復雜計算問題。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)精細化分布式地能源供需調控。未來電力量子將使用“量子—經典”混合計算架構，以經典計算機負責電力數(shù)據(jù)的處理，量子計算專攻復雜場景的計算，在電力氣象、新能源出力預測、潮流計算等復雜計算場景率先實現(xiàn)“量子計算”應用。（劉鍵燁 傅成程）
責任編輯：閆弘旭
