量子通信與區(qū)塊鏈構(gòu)建下一代加密通信基礎(chǔ)設(shè)施

量子技術(shù)和區(qū)塊鏈技術(shù)是國家信息安全和國家數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要組成部分，在國家戰(zhàn)略中具有重要地位。“十四五”規(guī)劃綱要將“加快數(shù)字發(fā)展建設(shè)數(shù)字中國”作為獨(dú)立篇章，指出要進(jìn)一步明確發(fā)展云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等七大數(shù)字經(jīng)濟(jì)重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)，指出要瞄準(zhǔn)人工智能、量子信息、集成電路、生命健康、腦科學(xué)等前沿領(lǐng)域，實(shí)施一批具有前瞻性、戰(zhàn)略性的國家重大科技項(xiàng)目。2025年數(shù)字經(jīng)濟(jì)核心產(chǎn)業(yè)增加值占GDP比重將達(dá)到10%。量子技術(shù)的發(fā)展可以為國家提供更高級(jí)別的信息安全保障，而區(qū)塊鏈技術(shù)則是天然的信任系統(tǒng)，兩者的結(jié)合可以建設(shè)新一代加密通信系統(tǒng)，在金融、能源、現(xiàn)代物流、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，在促進(jìn)數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展、推動(dòng)智能化升級(jí)、促進(jìn)現(xiàn)代化治理等方面都均具有重要意義。

當(dāng)前信息通信領(lǐng)域面臨諸多安全威脅：

1、傳遞信息泄露篡改：攻擊者通過竊聽、重傳或篡改等方式獲取敏感信息，可能導(dǎo)致機(jī)密數(shù)據(jù)泄露或個(gè)人隱私泄露。

2、分布式拒絕服務(wù)攻擊（DDoS攻擊）：攻擊者通過某種方法使系統(tǒng)響應(yīng)減慢或癱瘓，阻止合法用戶獲得服務(wù)，造成網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)服務(wù)不可用。

3、黑客攻擊和網(wǎng)絡(luò)欺詐：攻擊者利用通信通道漏洞或其他手段非法訪問網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，進(jìn)行篡改、破壞或竊取數(shù)據(jù)等惡意行為，可能導(dǎo)致巨大經(jīng)濟(jì)損失和安全風(fēng)險(xiǎn)。

4、病毒和惡意軟件：通過通信網(wǎng)絡(luò)傳播的病毒和惡意軟件可以破壞系統(tǒng)、竊取數(shù)據(jù)或執(zhí)行其他非法操作，對(duì)通信系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性造成嚴(yán)重威脅。

量子技術(shù)和區(qū)塊鏈技術(shù)可以從通信網(wǎng)絡(luò)安全性和通信主體信任驗(yàn)證這兩個(gè)維度實(shí)現(xiàn)通信安全。

量子技術(shù)是構(gòu)建安全通信網(wǎng)絡(luò)的基石。量子密鑰分發(fā)可以利用量子力學(xué)的一些特性，如不可克隆性和不可分割性，為通信安全提供強(qiáng)有力的保障。它可以在一定程度上防止竊聽者竊取通信中的密鑰信息，從而提高通信的安全性。在傳統(tǒng)的密碼學(xué)中，為了保證通信的安全性，通常需要使用加密算法將明文轉(zhuǎn)化為密文，而密鑰是加密和解密的重要參數(shù)。然而，傳統(tǒng)的加密算法存在一些漏洞或弱點(diǎn)，例如，竊聽者可以通過截取或測(cè)量傳輸?shù)拿荑€信息來破解加密通信。相比之下，量子密鑰分發(fā)利用了量子力學(xué)的不可克隆性，即不可能復(fù)制一個(gè)未知的量子態(tài)。因此，竊聽者在嘗試竊取傳輸?shù)牧孔用荑€信息時(shí)，會(huì)不可避免地破壞原始量子態(tài)，從而被檢測(cè)出來。此外，量子密鑰分發(fā)也利用了量子不可分割的特性，確保了密鑰的分發(fā)是安全可靠的。

區(qū)塊鏈技術(shù)為安全通信網(wǎng)絡(luò)提供信任系統(tǒng)。首先，它采用分布式存儲(chǔ)方式，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在多個(gè)節(jié)點(diǎn)上，降低了單點(diǎn)故障的風(fēng)險(xiǎn)，提高了數(shù)據(jù)的可靠性和安全性。其次，區(qū)塊鏈技術(shù)采用共識(shí)機(jī)制，確保所有節(jié)點(diǎn)達(dá)成共識(shí)，防止惡意節(jié)點(diǎn)篡改或偽造數(shù)據(jù)，提高了數(shù)據(jù)的一致性和真實(shí)性。此外，區(qū)塊鏈技術(shù)采用加密技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密，防止未經(jīng)授權(quán)的第三方訪問或篡改數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)在傳輸和處理過程中的安全性。另外，區(qū)塊鏈技術(shù)的不可篡改性使得數(shù)據(jù)一旦被寫入?yún)^(qū)塊鏈，就無法被篡改或刪除，降低了數(shù)據(jù)被篡改的風(fēng)險(xiǎn)。最后，區(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化特點(diǎn)避免了中心節(jié)點(diǎn)被攻擊或控制的風(fēng)險(xiǎn)，提高了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。這些特點(diǎn)的結(jié)合使得區(qū)塊鏈技術(shù)成為一種高度安全和可靠的通信安全解決方案，可以有效地保護(hù)通信數(shù)據(jù)的安全和完整性，防范各種形式的攻擊和篡改。

量子安全區(qū)塊鏈?zhǔn)切乱淮用芡ㄐ畔到y(tǒng)的終極形態(tài)

量子密鑰分發(fā)是具有信息論安全證明的密鑰分發(fā)技術(shù)。目前，量子密鑰分發(fā)組網(wǎng)或長距離傳輸必須部署中繼節(jié)點(diǎn)，而中繼節(jié)點(diǎn)一旦泄露會(huì)影響整條鏈路的安全。通常為了保障中繼節(jié)點(diǎn)的安全，會(huì)通過密鑰管理機(jī)、密碼卡、終端加固等方式對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行安全保護(hù)。但是，傳統(tǒng)的加固和保護(hù)方式只能不斷提高安全性，并不能徹底解決中繼節(jié)點(diǎn)安全可信的問題；并且中繼節(jié)點(diǎn)內(nèi)的認(rèn)證、加密、傳輸?shù)饶K交互復(fù)雜，缺少統(tǒng)一、便捷、可信的管理方式，這也不利于量子密鑰分發(fā)的應(yīng)用和普及。因此有必要探索安全可信、高效靈活的可信中繼技術(shù)。

區(qū)塊鏈?zhǔn)俏覈鴶?shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要組成部分，但當(dāng)前區(qū)塊鏈技術(shù)中依賴數(shù)學(xué)困難問題的經(jīng)典加密算法并不能對(duì)抗量子計(jì)算（例如，Shor量子算法及其變體將導(dǎo)致多種公鑰密碼算法不再安全，包括ECDSA、Diffie-Hellman等），因此有必要引入信息論安全的密鑰分發(fā)技術(shù)，構(gòu)建量子安全區(qū)塊鏈。

利用區(qū)塊鏈和量子密鑰分發(fā)技術(shù)，可以解決長距離量子密鑰分發(fā)的中繼安全問題和區(qū)塊鏈量子安全問題。首先，可以利用區(qū)塊鏈“信任機(jī)器”的特性和分布式數(shù)字身份技術(shù)，在現(xiàn)有中繼節(jié)點(diǎn)安全體系基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)一種基于區(qū)塊鏈的中繼節(jié)點(diǎn)安全保護(hù)方案，與現(xiàn)有中繼節(jié)點(diǎn)安全體系相互兼容，通過去中心化的方式進(jìn)一步保障中繼節(jié)點(diǎn)的設(shè)備安全、訪問控制安全和量子密鑰安全，大大提高量子密鑰分發(fā)中繼節(jié)點(diǎn)的安全性。其次，基于區(qū)塊鏈安全存證特性對(duì)量子密鑰管理機(jī)、多種密碼卡、終端加固等過程進(jìn)行統(tǒng)一存證和管理，利于量子密鑰分發(fā)及安全通信的大規(guī)模應(yīng)用和普及。最終，利用量子密鑰分發(fā)技術(shù)，對(duì)區(qū)塊鏈體系中關(guān)鍵的共識(shí)機(jī)制、數(shù)字簽名和隨機(jī)數(shù)生成進(jìn)行升級(jí)改造，可對(duì)抗量子計(jì)算攻擊，構(gòu)建完整的量子安全區(qū)塊鏈。

一個(gè)完備的量子區(qū)塊鏈應(yīng)當(dāng)包括：

1、基于量子密鑰分發(fā)的簽名算法，替換區(qū)塊鏈中現(xiàn)有的公鑰密碼算法。通過采用基于量子密鑰分發(fā)的簽名方案，保證區(qū)塊鏈系統(tǒng)中數(shù)字簽名過程的量子安全。

2、量子安全的新型共識(shí)機(jī)制，例如，以PBFT共識(shí)機(jī)制為基礎(chǔ)，通過加入快速模式、消除視圖轉(zhuǎn)換過程等方式，優(yōu)化共識(shí)策略。完成狀態(tài)機(jī)復(fù)制，實(shí)現(xiàn)拜占庭容錯(cuò)，提高共識(shí)效率。因采用基于投票的共識(shí)機(jī)制，無需挖礦過程，故可避免出現(xiàn)因Grover量子算法導(dǎo)致的51%攻擊。

3、適配現(xiàn)有區(qū)塊鏈體系，支持?jǐn)U容、跨鏈、Layer2等基礎(chǔ)功能。

一個(gè)基于量子區(qū)塊鏈的信息安全系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)包括：

1、安全可信中繼節(jié)點(diǎn)。在同一個(gè)可信中繼節(jié)點(diǎn)內(nèi)，量子密鑰分發(fā)（QKD）設(shè)備、量子密鑰管理機(jī)和區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)是相互獨(dú)立的設(shè)備，它們之間通過網(wǎng)線等傳輸通道連接，未來可以集成到一個(gè)設(shè)備內(nèi)部通過背板等手段連接。

2、節(jié)點(diǎn)設(shè)備數(shù)字身份（DID）。QKD設(shè)備和量子密鑰管理機(jī)在區(qū)塊鏈上都擁有自己的分布式數(shù)字身份（DID），QKD設(shè)備與量子密鑰管理機(jī)之間除常規(guī)的認(rèn)證外，也通過DID進(jìn)行設(shè)備認(rèn)證，QKD設(shè)備與量子密鑰管理機(jī)之間的通信可通過基于DID的公鑰加密算法進(jìn)行加密，保證中繼節(jié)點(diǎn)內(nèi)設(shè)備認(rèn)證安全和通信安全。

3、量子安全可追溯通信加密。一個(gè)可信中繼節(jié)點(diǎn)內(nèi)，QKD設(shè)備生成的量子密鑰發(fā)送給量子密鑰管理機(jī)后，將采用一次一密方式加密形成中繼異或密鑰，加密過程可通過區(qū)塊鏈進(jìn)行安全存證，保證中繼異或密鑰生成的安全性和可追溯性。

4、抗DDoS安全防護(hù)。中繼異或密鑰將發(fā)送給下一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)或端節(jié)點(diǎn)，下一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)或端節(jié)點(diǎn)的地址可通過智能合約實(shí)現(xiàn)并部署，保證中繼異或密鑰的分發(fā)鏈路安全可信，防止密鑰被盜。當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)被人為破壞或替換后，中繼節(jié)點(diǎn)鏈路上的量子密鑰分發(fā)將自動(dòng)失效，并實(shí)時(shí)感知中繼節(jié)點(diǎn)被破壞的具體位置。中繼異或密鑰的分發(fā)過程通過區(qū)塊鏈交易的方式實(shí)現(xiàn)，因此也具備抗DDOS能力。

5、可審計(jì)信息存證。在中繼節(jié)點(diǎn)內(nèi)的設(shè)備認(rèn)證、量子密鑰加密、中繼異或密鑰傳輸?shù)炔僮骶ㄟ^區(qū)塊鏈安全存證。所有過程在區(qū)塊鏈上均有記錄，可溯源、可分析，且相比傳統(tǒng)的日志分析更加可信，無篡改和偽造風(fēng)險(xiǎn)，也便于進(jìn)行統(tǒng)一、便捷、可信的中繼節(jié)點(diǎn)管理。

基于以上范式，可以構(gòu)建新一代加密通信系統(tǒng)，為通信安全提供更強(qiáng)大的保障，同時(shí)，數(shù)字資產(chǎn)是數(shù)字金融的核心，量子安全區(qū)塊鏈與數(shù)字資產(chǎn)和數(shù)字經(jīng)濟(jì)具有緊密的關(guān)聯(lián)，可作為數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施之一，為國家發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟(jì)提供技術(shù)支持?？梢灶A(yù)見，基于量子密鑰分發(fā)和區(qū)塊鏈技術(shù)的新一代加密通信系統(tǒng)將成為數(shù)字經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的安全基石，也是國家安全的堅(jiān)實(shí)保障。