Voor het tweede jaar op rij, een team van de nationale laboratoria Oak Ridge en Los Alamos van het Department of Energy leidde een demonstratie georganiseerd door EPB, een community-based nutsbedrijf en telecommunicatiebedrijf dat Chattanooga bedient, Tennessee.

Met behulp van een geïsoleerd deel van EPB's glasvezelnetwerk, het team experimenteerde met op kwantum gebaseerde technologieën die de cyberbeveiliging konden verbeteren, levensduur en efficiëntie van het elektriciteitsnet van het land. Onder andere successen, de onderzoekers hebben het bereik dat deze bronnen kunnen dekken drastisch vergroot in samenwerking met hun nieuwe industriële partner, Qubitekk.

Het team testte de distributie van kwantumsleutels, of QKD, systemen die de kracht van de kwantummechanica benutten om gegevens te verifiëren en berichten te versleutelen met een geheime 'sleutel'. Met behulp van privé-coderingsmethoden, de sleutel verzendt veilig "vergrendelde" informatie van het ene QKD-systeem naar het andere via een "vertrouwd knooppunt" dat vrijwel onkwetsbaar is voor cyberaanvallen.

"Deze technologie is niet afhankelijk van de wiskundige wetten die de moderne computerbeveiliging beheersen, maar van de fysieke wetten van de kwantummechanica die in de loop van de tijd niet veranderen, " zei Raymond Newell, die het kwantumcommunicatieteam van LANL leidt. "Als resultaat, we kunnen beveiligingsgaranties geven die voor onbepaalde tijd waar blijven, omdat ze niet afhankelijk zijn van aannames."

Vorig jaar, ORNL, LANL en EPB toonden aan dat QKD-systemen naadloos konden samenwerken ondanks verschillende onderliggende hardware- en softwarecomponenten, een belangrijke stap in de richting van de uiteindelijke integratie van QKD in het elektriciteitsnet - dat elektriciteit levert aan gebouwen in de Verenigde Staten - op nationaal niveau. Deze systemen kunnen helpen de compatibiliteit te waarborgen van apparatuur van verschillende leveranciers die eigenaren en operators van nutsvoorzieningen ondersteunen.

"Nadat we interoperabiliteit hebben aangetoond, we kunnen nu de voordelen laten zien van een uitgebreid assortiment dat een groter gebied bestrijkt en gewoon verder komt dan mogelijk zou zijn geweest met een enkel systeem dat op zichzelf zou werken, ' zei Newell.

Tijdens de demonstratie van dit jaar de onderzoekers plaatsten hun systemen en een nieuw systeem ontwikkeld door Qubitekk, een QKD-ontwikkelaar en -fabrikant, in elektrische onderstations in Chattanooga. Deze onderstations waren verbonden door het stuk van EPB's glasvezelnetwerk dat gereserveerd was voor testen en dienden als pitstops waardoor elk systeem een ​​sleutel kon doorgeven aan het volgende systeem.

Ernstige afstandsbeperkingen verhinderden voorheen dat QKD een levensvatbare aanvulling werd op bestaande technieken voor netbeheer, maar deze test bewees dat drie verschillende systemen een real-world relais van kwantumsleutels door de stad kunnen voltooien.

"Het succesvol demonstreren van QKD-prestaties in een echte omgeving helpt bij het vaststellen van de haalbaarheid van deze technologie voor het beschermen van kritieke energieleveringsinfrastructuur, " zei Nicolaas Peters, de kwantuminformatiewetenschap, of QIS, groepsleider bij ORNL.

Het opslaan van de QKD-systemen in onderstations - dozen omringd door gebouwen, camera's, hekken en andere veiligheidsmaatregelen—zorgden voor cyber- en fysieke bescherming.

"QKD is uniek omdat het de aanwezigheid kan detecteren van elke afluisteraar die probeert informatie te onderscheppen en te kopiëren, "zei ORNL QIS Quantum Communications Teamleider Phil Evans. "Deze onderscheppingen verschijnen als fouten en we gooien ze weg voordat ze belangrijke informatie kunnen lekken."

Naast het vergroten van de fysieke afstand waarover deze systemen kunnen communiceren, de benadering met vertrouwde knooppunten biedt ook voordelen voor nutsbedrijven doordat er extra onderstations op het kwantumnetwerk kunnen bestaan. Als resultaat, het controlecentrum kan tegelijkertijd alle onderstations communiceren en veilig kritische instructies geven.

"Met deze technologie hulpprogramma's krijgen betere cyberbeveiliging zonder administratieve rompslomp. Het is een set-and-forget-oplossing die cyberbeveiligingsoperaties vereenvoudigt voor nutsbedrijven, " zei Duncan Earl, president en chief technology officer van Qubitekk.

De huidige smart grid-communicatie maakt gebruik van bestaande klassieke technologieën, maar het toevoegen van private kwantumnetwerken zou de cyberbeveiliging verbeteren en de duurzaamheid van cruciale bronnen verbeteren. Hoewel alledaagse apparaten zoals smartphones en laptops over het algemeen om de paar jaar moeten worden vervangen wanneer de besturingssoftware niet langer wordt ondersteund, het verwisselen van onderstations of generatoren die vaak onpraktisch en duur zouden zijn.

"In principe, QKD-systemen die in het netwerk zijn geïntegreerd, zouden tientallen jaren veilig blijven, het afstemmen of overschrijden van de levensduur van de fysieke infrastructuur, ' zei Pieters.

Hoewel cyberbeveiliging en een lange levensduur belangrijk zijn voor de prestaties van QKD, een betere operationele efficiëntie is ook essentieel. Bijvoorbeeld, delen van het net die hernieuwbare energiebronnen ondersteunen, zoals zonne-energie, zijn afhankelijk van de steeds veranderende positie van de zon en de wolken, en QKD zou kunnen helpen de verantwoordelijkheid te verdelen over andere delen van het net om fluctuerende output te compenseren en toch de vruchten te plukken van groene energie.

Met een van de meest geavanceerde smart grids van het land, EPB is een pionier geworden in rasteronderzoek door langdurige partnerschappen en nieuwe demonstraties die kwantumtechnologie op ongekende schaal testen.

"We zijn trots op onze samenwerking met DOE, ORNL en LANL en dat EPB deze op kwantum gebaseerde veiligheidsveldtest voor deze simulatie zou kunnen hosten, " zei Steve Morrison, EPB's directeur informatiebeveiliging. "Deze demonstraties van slimme netwerken helpen ons veelbelovende technologie te ontwikkelen om het Amerikaanse elektriciteitsnet te beschermen tegen cyberaanvallen."

ORNL- en LANL-onderzoekers blijven kwantumtechnologieën ontwikkelen - waarvan sommige een commerciële licentie hebben en sommige zich in de vroege testfase bevinden - en beide laboratoria zijn van plan om door te gaan met de samenwerking met EPB.

"We hebben hen als een uitstekende partner ervaren, "Zei Evans. "Ze hebben een zeer toekomstgerichte mentaliteit en hebben een fantastisch glasvezelnetwerk gebouwd met het geïsoleerde testbed voor donkere vezels dat ze ons voor veel experimenten hebben laten gebruiken. Zonder de mensen van EPB hadden we niet zo ver kunnen komen."

Beetje bij beetje, het team hoopt meer QKD-bronnen in het nationale netwerksysteem in te zetten om dezelfde vooruitgang op een veel grotere schaal te zien.