量子安全直接通信與區塊鏈融合：為網絡安全保駕護航

原文發表于《科技導報》2026 年第2 期 《 量子安全直接通信與區塊鏈網絡融合應用 》

量子計算威脅經典密碼體系給區塊鏈網絡通信安全帶來全新挑戰。本文探索了在區塊鏈網絡中應用量子安全直接通信的技術方案，并進行了可行性分析和實驗驗證，實驗成功驗證了量子安全直接通信與區塊鏈網絡融合方案，利用量子安全直接通信技術為區塊鏈網絡保駕護航，增強了區塊鏈網絡各節點間信息傳輸的安全性，助力金融行業打造更加安全可信的數字價值網絡。

區塊鏈和量子科技作為全球前沿的新興技術，有望引領新一輪科技革命和產業變革方向，得到全球極大關注。量子科技發展突飛猛進，量子計算可破解公鑰密碼算法，對以經典密碼學為核心的區塊鏈技術體系帶來嚴重威脅，區塊鏈網絡中數據、信息和價值傳輸亦不再安全，區塊鏈可信體系面臨極大挑戰。慶幸的是，量子安全直接通信（QSDC）技術作為量子通信研究領域最新成果，為區塊鏈網絡體系抵御量子計算攻擊提供了可能，探索量子安全直接通信技術與區塊鏈網絡體系融合應用具有積極的現實意義。

1 區塊鏈網絡技術概述

1.1 區塊鏈網絡技術原理及特點

區塊鏈是分布式存儲、共識機制、點對點網絡、加密算法等計算機技術在互聯網時代的創新應用模式，數據由所有節點共同維護，以此構建一套信任機制，保障系統內數據公開透明，實現數據記錄可溯源和難篡改。區塊鏈作為一種分布式系統，通過點對點（P2P）網絡使得區塊鏈網絡中每個節點都可以平等、安全地參與共識與記賬，實現分布式網絡各節點數據的一致性和可靠性。

P2P網絡中應用了P2P協議，該協議構成了區塊鏈網絡的基礎協議，主要包括如下功能。（1）區塊鏈節點標識與發現。（2）區塊鏈節點連接管理。（3）區塊鏈節點信息通信。（4）節點同步。超級賬本Hyperledger Fabric采用Gossip算法作為其網絡的傳播協議，負責新節點發現、節點監測、剔除離線節點、更新節點列表等（圖1）。

圖1 區塊鏈節點連接管理時序

1.2 區塊鏈網絡安全問題現狀

匿名性是公有鏈的重要特點之一，該特點在保護用戶節點隱私的同時帶來了相關網絡安全風險。公有鏈網絡中，用戶不需要身份認證便可輕易創建分布式節點，導致攻擊者可以輕易偽造身份加入網絡實施攻擊。

鑒于商業場景對安全、隱私、監管、審計等方面更高的需求，聯盟鏈引入了身份驗證機制和網絡通信安全協議SSL/TLS以保證分布式節點身份可信和數據傳輸安全。區塊鏈網絡通過SSL/TLS協議，使得不法分子無法通過非法方式竊聽、截取和修改網絡流量內容，也無法冒充通信者身份，一定程度上確保了區塊鏈節點間共識信息和通信數據傳輸的安全性和可用性。

然而，SSL/TLS協議在身份認證和會話密鑰協商過程中均涉及簽名、驗簽，以及相應的密鑰交換等多種非對稱加密算法。若上述加密算法存在潛在后門、漏洞或者弱點，數據傳輸安全將面臨巨大安全風險。從國產自主可控的角度考慮，業界通過對通信消息中的密鑰協商部分進行國密化適配，實現TLS國密化改造，以保證區塊鏈網絡通信安全。

2 量子計算威脅區塊鏈網絡通信安全

隨著量子計算技術不斷取得突破，對于經典計算機來說足夠“困難”的密碼算法破解問題在量子計算面前可被輕易破解。

2.1 量子計算

量子計算是利用量子力學的基本特性實現問題求解的新型計算模式。量子計算機的處理能力將隨著比特數的增長呈指數級增長，可以解決經典計算機無法解決的大規模計算難題。

2.2 量子計算Shor等算法威脅非對稱加密算法

量子計算的快速發展導致區塊鏈中的傳統密碼算法面臨著被量子計算機攻擊的威脅。Shor算法是一種對大數因子分解，離散對數問題解決有著開創性和重大影響的量子算法。Shor算法的核心是利用數論的相關定理，將大數因子分解過程轉化為求某個函數的周期，可以以極高的效率實現量子傅里葉變換，指數級提高大整數的質因子分解速度，從而對公鑰密碼造成毀滅性的攻擊。隨著量子比特數持續增加，破解公鑰密碼算法時間將大大縮減，量子計算機對于區塊鏈威脅日益迫近。

2.3 量子計算Shor等算法威脅區塊鏈網絡傳輸安全

區塊鏈網絡中，存在大量使用公鑰加密算法的應用。一方面，區塊鏈網絡中應用SSL/TLS協議，并通過使用公鑰加密算法、數字證書簽名等技術手段實現數據加密傳輸、節點連接認證等；另一方面，公有鏈應用公鑰加密算法實現數字資產確權等。

在量子計算時代，Shor等量子算法能夠在多項式時間內解決質因子分解和離散對數問題，攻擊者可以利用Shor算法破解SSL/TLS協議公鑰加密算法，獲取用戶私鑰，從而偽造區塊鏈數據信息、簽名和轉移資產等，導致區塊鏈加密通信和數字資產不再安全，以經典密碼學為核心的可信區塊鏈體系將不再可信，基于區塊鏈的價值網絡亦是空中樓閣。

3 量子保密通信技術保障區塊鏈網絡通信安全

3.1 量子通信技術

量子通信作為量子信息科學的重要分支，由Bennett等在20世紀80年代提出，它是利用量子態作為信息載體來進行信息交互的一種新型通信技術。量子通信的關鍵技術有量子密鑰分發（QKD）、量子安全直接通信、量子隱形傳態（QT）等。

3.2 量子密鑰分發

量子密鑰分發是當前最重要和主流的量子保密通信技術之一。量子密鑰分發將量子狀態作為信息加密和解密的密鑰，以量子態為信息載體，通過量子信道使通信雙方共享密鑰。現階段較為通用的是由Bennett等于1984年提出的 Bennett?Brassard（BB84）協議。量子密鑰分發技術可以建立起安全的通信密鑰，通過“一次一密”的加密方式實現點對點的安全通信。

3.3 量子安全直接通信

量子安全直接通信是量子通信的重要模式之一，它是指利用量子態作為信息載體直接進行安全通信的技術。相比于量子密鑰分發，量子安全直接通信將量子通信從量子密鑰分發的感知竊聽發展成為既感知竊聽又阻止竊聽。量子安全直接通信通過在量子信道傳輸信息，可以發現和阻止竊聽，不泄露信息，具有高度的安全性。2016年，Hu等在光纖系統中實現了基于單光子頻率編碼的量子安全直接通信實驗演示。2017年，Zhang等完成了基于量子存儲的量子安全直接通信演示。同年，Zhu等完成了基于光纖糾纏源的量子安全直接通信演示。2019年，Qi等研制出首臺實用化單光子量子安全直接通信樣機。2021年，Cao等提出了基于雙模壓縮態的量子安全直接通信方案。同年，Qi等實現了基于時間?能量糾纏和和頻的15個用戶量子安全直接通信網絡。2022年，Zhang等設計了一種相位量子態與時間戳量子態混合編碼的量子安全直接通信新系統。2022年，Long等提出了安全中繼網絡方案并進行了實驗演示。2023年，Wang等演示了基于安全中繼的三節點量子安全直接通信網絡。2024年，Wang等提出了一種基于格密碼算法的量子安全直接通信網絡的接入認證方案。2025年，Pan等提出單向量子安全直接通信方案并成功研制系統同年，Yang等成功實現4節點間300 km級的全連接量子安全直接通信網絡。

量子安全直接通信在國外的研究更多側重于新協議的提出和原理驗證實驗。2006年，Lee等利用GHZ態量子安全直接通信方案構造了量子身份認證協議。同年，Marino等提出基于連續變量糾纏態的量子安全直接通信協議。2008年，Pirandola等提出基于相干態的連續變量量子安全直接通信協議。2016年，Lum等提出用量子數據鎖定進行量子安全直接通信并完成實驗演示。2019年，Shapiro等提出了基于量子低截獲概率的量子安全直接通信協議并完成實驗演示；同年，Massa等提出雙向量子安全直接通信方案，并進行了實驗演示。2021年，Vázquez?Castro等提出了量子無密鑰隱私通信協議。同年，Chandra等提出了利用含噪糾纏態進行量子安全直接通信的協議。2023年，Paparelle等完成了壓縮態連續變量量子安全直接通信實驗演示。量子保密通信如圖2 所示。

圖2 保密通信

3.4 量子安全直接通信有助于保障區塊鏈網絡安全

量子安全直接通信技術基于“海森堡測不準原理”“不可克隆定理”“測量塌縮”等物理特性，實現了高度保密的量子通信。因此，面對強大的量子計算對于區塊鏈的威脅，有必要探索將量子安全直接通信應用在基于經典保密通信技術的區塊鏈網絡中，構建端對端安全、量子竊聽感知的區塊鏈量子網絡，以對抗目前已知的量子計算攻擊。

4 量子安全直接通信技術與區塊鏈網絡融合應用研究

4.1 量子安全區塊鏈網絡的國內外研究現狀

國內外對量子安全區塊鏈的研究主要圍繞抗量子密碼與區塊鏈的結合、量子密鑰分發與區塊鏈的融合等方面展開。

在區塊鏈與抗量子密碼的結合方面，國內外多個研究團隊和項目已取得進展。該方法專注于開發和集成后量子密碼學（PQC）算法，旨在替換現有易受量子攻擊的經典加密算法，確保區塊鏈網絡在量子計算環境下的安全性與隱私保護能力。例如，國外的可驗證隨機函數（QRL）項目采用基于哈希的XMSS簽名算法，Algorand則通過VRF（可驗證隨機函數）和后量子簽名算法（如Falcon）實現了量子安全增強；國內的長安鏈和螞蟻鏈分別集成了Dilithium抗量子簽名算法，為區塊鏈交易提供了量子安全保護。

在量子密鑰分發與區塊鏈的融合方面，利用量子密鑰分發實現節點間的安全密鑰交換，為區塊鏈提供理論上不可破解的通信保障。國際方面，2022年，摩根大通公司構建了一個量子密鑰分發網絡，以保護本公司的生產級點對點區塊鏈網絡Liink。國內方面，通付盾公司提出了基于量子密鑰分發和區塊鏈技術的新一代加密通信系統方案。2020年，中國聯通研究院、亨通光電公司、問天量子公司等機構在“京雄量子加密干線”上完成區塊鏈BaaS+量子通信的驗證測試。

在區塊鏈與量子安全直接通信的結合方面，主要是提出理論方案與協議。2023年，Xu等提出在量子存儲網絡階段利用量子安全直接通信等技術實現區塊鏈網絡的安全通信。2025年，Sun等提出了一種基于量子安全直接通信網絡的量子區塊鏈方案。我們提出量子安全直接通信與區塊鏈網絡融合技術方案，并在實驗上演示驗證了量子安全直接通信增強的區塊鏈網絡。

4.2 量子安全直接通信與區塊鏈網絡融合可行性分析

鑒于區塊鏈網絡技術與實用性量子安全直接通信技術的相關接口技術、協議標準、部署環境、性能指標參數等不盡相同，有必要對其進行分析。

區塊鏈網絡方面。首先，要明確區塊鏈網絡協議通信時間相關指標參數。其次，明確區塊鏈交易中數據通信速率相關指標數據。

量子安全直接通信方面。目前，安全中繼用量子安全直接通信和抗量子密碼結合，可以實現量子通信安全組網。其中，密文在量子信道中傳送，具備感知竊聽和防止竊聽的能力。經典中繼的信息在抗量子密碼保護下具有可抵抗量子計算攻擊的安全性。當前，量子安全直接通信系統具有較高的穩定性和極低的量子比特誤碼率（QBER），為接入區塊鏈網絡并正常通信奠定基礎。

如圖3所示，本實驗將區塊鏈節點間的傳統通信信道替換為量子安全直接通信。在該配置下，數據從節點A由其量子安全直接通信發送端（Alice）發出，通過量子信道安全傳輸，由節點B的QSDC接收端（Bob）接收，最終由Bob將數據轉發給節點B進行處理。

圖3 區塊鏈融合QSDC集成示意

4.3 量子安全直接通信與區塊鏈網絡融合實驗驗證

如圖4所示，在實驗室環境下構建區塊鏈網絡，各參與機構（如機構 A、B 等）均部署區塊鏈節點。為提高信道安全性，節點間的通信采用單向量子安全直接通信協議實現，機構節點的數據接口與量子安全直接通信發射端/接收端設備（Alice和Bob）配對連接，并通過協議適配與接口轉換實現數據通信。

圖4 實驗室環境下基于量子安全直接通信的區塊鏈網絡示意

如圖5所示，實驗測得系統平均量子比特誤碼率為3.84%。基于此配置，首先驗證了利用量子安全直接通信技術在2個機構間成功進行量子通信的能力。繼而，進一步在該融合了量子安全直接通信的區塊鏈網絡上執行交易功能測試，以驗證系統的整體可行性。

圖5 量子安全直接通信系統量子比特誤碼率測試結果

驗證實施步驟如下。

（1）測試環境準備。配置A機構和B機構的區塊鏈節點，并確保其正常運行。配置量子安全直接通信系統設備，確保區塊鏈節點與量子安全直接通信設備之間正常通信。

（2）節點共識測試。通過日志觀察A機構與B機構節點間的共識過程是否正常完成，驗證共識算法正確執行。

（3）合約創建部署測試。在A機構的節點上創建和部署智能合約，并在B機構節點上驗證其在網絡中的正確性和可用性。

（4）合約交易測試。發起合約交易操作，在A機構的節點上執行合約的調用操作，并在B機構節點上檢查交易是否被正確記錄和執行。

（5）合約查詢測試。在B機構節點上進行合約查詢，驗證查詢結果的準確性和一致性。

實驗結果顯示，量子安全直接通信在節點共識、合約創建、合約交易及合約查詢4個核心場景中均表現出與經典信道相近的流量性能。具體數據如表1所示。

表1 實驗室環境下基于量子安全直接通信的區塊鏈核心功能流量指標數據

上述結果驗證了量子安全直接通信在保持安全特性的同時，能夠支撐區塊鏈基礎通信需求。該實驗為構建基于量子通信技術的安全區塊鏈網絡提供了重要的數據參考。

當然，在實際生產面臨高頻次交易場景需求時，一方面，需要對區塊鏈進行分流分層優化改造處理，以滿足高標準的業務需求通過設置流量分級管理機制；另一方面，通過提升量子硬件性能參數，包括提升弱相干光光源的重復頻率、單光子探測器的探測效率、量子態的調制解調速率和優化編解碼方案等措施，使量子信道的數據傳輸速率和有效吞吐量逐步提升。

為保障安全中繼節點數據安全性，在量子信道傳輸和安全中繼節點中，采用抗量子密碼算法對數據進行加密，以抵御量子計算機對安全中繼節點數據的破譯和攻擊。根據量子安全直接通信網絡技術指標參數情況，調整區塊鏈節點P2P網絡模塊相關參數進行適配，保證節點之間正常通信。

5 結論與展望

基于“海森堡測不準原理”“量子不可克隆定理”“測量塌縮”等物理特性，量子安全直接通信可實現端對端安全，同時具備感知竊聽和阻止竊聽的能力。

我們探索在區塊鏈網絡中應用量子安全直接通信技術方案，利用量子安全直接通信技術為區塊鏈網絡保駕護航，增加了區塊鏈網絡各節點間信息傳輸的安全性，助力金融行業打造更加安全可信的數字價值網絡。未來可通過量子中繼網絡和衛星通信擴展傳輸距離，采用高維量子編碼提升通信速率，開發量子適配中間件實現協議兼容。

隨著量子通信技術快速發展，量子安全直接通信局域網、城際網及全球量子網絡將逐步成為現實，建立在量子安全直接通信之上的區塊鏈將有助于構建無條件安全、信息可信的數字基建底座，賦能數字經濟發展。

本文作者：吳永飛、龍桂魯、金建新、王彥博、王敏、魏文術、劉曦子、楊璇

作者簡介：吳永飛，華夏銀行股份有限公司，研究員，研究方向為金融科技、數字金融；龍桂魯（共同第一作者），低維量子物理國家重點實驗室，清華大學物理系，北京量子信息科學研究院，教授，研究方向為量子信息、量子通信、量子算法；王彥博（通信作者），華夏銀行股份有限公司，副研究員，研究方向為大數據、人工智能、量子金融科技、光子金融科技、數字金融；王敏（共同通信作者），北京量子信息科學研究院，副研究員，研究方向為量子通信、微納光學。

文章來 源 ： 吳永飛, 龍桂魯, 金建新, 等. 量子安全直接通信與區塊鏈網絡融合應用[J]. 科技導報, 2026, 44(2): 89?97 .

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