基于量子密钥分发和区块链技术的新一代加密通信系统

量子通信与区块链构建下一代加密通信基础设施

量子技术和区块链技术是国家信息安全和国家数字化转型的重要组成部分，在国家战略中具有重要地位。“十四五”规划纲要将“加快数字发展建设数字中国”作为独立篇章，指出要进一步明确发展云计算、大数据、物联网、工业互联网、区块链、人工智能、虚拟现实和增强现实等七大数字经济重点产业，指出要瞄准人工智能、量子信息、集成电路、生命健康、脑科学等前沿领域，实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。2025年数字经济核心产业增加值占GDP比重将达到10%。量子技术的发展可以为国家提供更高级别的信息安全保障，而区块链技术则是天然的信任系统，两者的结合可以建设新一代加密通信系统，在金融、能源、现代物流、物联网等领域发挥重要作用，在促进数字经济发展、推动智能化升级、促进现代化治理等方面都均具有重要意义。

当前信息通信领域面临诸多安全威胁：

1. 传递信息泄露篡改：攻击者通过窃听、重传或篡改等方式获取敏感信息，可能导致机密数据泄露或个人隐私泄露。

2. 分布式拒绝服务攻击（DDoS攻击）：攻击者通过某种方法使系统响应减慢或瘫痪，阻止合法用户获得服务，造成网络或系统服务不可用。

3. 黑客攻击和网络欺诈：攻击者利用通信通道漏洞或其他手段非法访问网络系统，进行篡改、破坏或窃取数据等恶意行为，可能导致巨大经济损失和安全风险。

4. 病毒和恶意软件：通过通信网络传播的病毒和恶意软件可以破坏系统、窃取数据或执行其他非法操作，对通信系统的安全性和稳定性造成严重威胁。

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量子技术和区块链技术可以从通信网络安全性和通信主体信任验证这两个维度实现通信安全。

量子技术是构建安全通信网络的基石。量子密钥分发可以利用量子力学的一些特性，如不可克隆性和不可分割性，为通信安全提供强有力的保障。它可以在一定程度上防止窃听者窃取通信中的密钥信息，从而提高通信的安全性。在传统的密码学中，为了保证通信的安全性，通常需要使用加密算法将明文转化为密文，而密钥是加密和解密的重要参数。然而，传统的加密算法存在一些漏洞或弱点，例如，窃听者可以通过截取或测量传输的密钥信息来破解加密通信。相比之下，量子密钥分发利用了量子力学的不可克隆性，即不可能复制一个未知的量子态。因此，窃听者在尝试窃取传输的量子密钥信息时，会不可避免地破坏原始量子态，从而被检测出来。此外，量子密钥分发也利用了量子不可分割的特性，确保了密钥的分发是安全可靠的。

区块链技术为安全通信网络提供信任系统。首先，它采用分布式存储方式，将数据存储在多个节点上，降低了单点故障的风险，提高了数据的可靠性和安全性。其次，区块链技术采用共识机制，确保所有节点达成共识，防止恶意节点篡改或伪造数据，提高了数据的一致性和真实性。此外，区块链技术采用加密技术，对数据进行加密和解密，防止未经授权的第三方访问或篡改数据，确保数据在传输和处理过程中的安全性。另外，区块链技术的不可篡改性使得数据一旦被写入区块链，就无法被篡改或删除，降低了数据被篡改的风险。最后，区块链技术的去中心化特点避免了中心节点被攻击或控制的风险，提高了整个网络系统的安全性和稳定性。这些特点的结合使得区块链技术成为一种高度安全和可靠的通信安全解决方案，可以有效地保护通信数据的安全和完整性，防范各种形式的攻击和篡改。

量子安全区块链是新一代加密通信系统的终极形态

量子密钥分发是具有信息论安全证明的密钥分发技术。目前，量子密钥分发组网或长距离传输必须部署中继节点，而中继节点一旦泄露会影响整条链路的安全。通常为了保障中继节点的安全，会通过密钥管理机、密码卡、终端加固等方式对中继节点进行安全保护。但是，传统的加固和保护方式只能不断提高安全性，并不能彻底解决中继节点安全可信的问题；并且中继节点内的认证、加密、传输等模块交互复杂，缺少统一、便捷、可信的管理方式，这也不利于量子密钥分发的应用和普及。因此有必要探索安全可信、高效灵活的可信中继技术。

区块链是我国数字经济发展的重要组成部分，但当前区块链技术中依赖数学困难问题的经典加密算法并不能对抗量子计算（例如，Shor量子算法及其变体将导致多种公钥密码算法不再安全，包括ECDSA、Diffie-Hellman等），因此有必要引入信息论安全的密钥分发技术，构建量子安全区块链。

利用区块链和量子密钥分发技术，可以解决长距离量子密钥分发的中继安全问题和区块链量子安全问题。首先，可以利用区块链“信任机器”的特性和分布式数字身份技术，在现有中继节点安全体系基础上实现一种基于区块链的中继节点安全保护方案，与现有中继节点安全体系相互兼容，通过去中心化的方式进一步保障中继节点的设备安全、访问控制安全和量子密钥安全，大大提高量子密钥分发中继节点的安全性。其次，基于区块链安全存证特性对量子密钥管理机、多种密码卡、终端加固等过程进行统一存证和管理，利于量子密钥分发及安全通信的大规模应用和普及。最终，利用量子密钥分发技术，对区块链体系中关键的共识机制、数字签名和随机数生成进行升级改造，可对抗量子计算攻击，构建完整的量子安全区块链。

一个完备的量子区块链应当包括：

1. 基于量子密钥分发的签名算法，替换区块链中现有的公钥密码算法。通过采用基于量子密钥分发的签名方案，保证区块链系统中数字签名过程的量子安全。

2. 量子安全的新型共识机制，例如，以PBFT共识机制为基础，通过加入快速模式、消除视图转换过程等方式，优化共识策略。完成状态机复制，实现拜占庭容错，提高共识效率。因采用基于投票的共识机制，无需挖矿过程，故可避免出现因Grover量子算法导致的51%攻击。

3. 适配现有区块链体系，支持扩容、跨链、Layer2等基础功能。​

一个基于量子区块链的信息安全系统应当包括：

1. 安全可信中继节点。在同一个可信中继节点内，量子密钥分发（QKD）设备、量子密钥管理机和区块链节点是相互独立的设备，它们之间通过网线等传输通道连接，未来可以集成到一个设备内部通过背板等手段连接。

2. 节点设备数字身份（DID）。QKD设备和量子密钥管理机在区块链上都拥有自己的分布式数字身份（DID），QKD设备与量子密钥管理机之间除常规的认证外，也通过DID进行设备认证，QKD设备与量子密钥管理机之间的通信可通过基于DID的公钥加密算法进行加密，保证中继节点内设备认证安全和通信安全。

3. 量子安全可追溯通信加密。一个可信中继节点内，QKD设备生成的量子密钥发送给量子密钥管理机后，将采用一次一密方式加密形成中继异或密钥，加密过程可通过区块链进行安全存证，保证中继异或密钥生成的安全性和可追溯性。

4. 抗DDoS安全防护。中继异或密钥将发送给下一个中继节点或端节点，下一个中继节点或端节点的地址可通过智能合约实现并部署，保证中继异或密钥的分发链路安全可信，防止密钥被盗。当中继节点被人为破坏或替换后，中继节点链路上的量子密钥分发将自动失效，并实时感知中继节点被破坏的具体位置。中继异或密钥的分发过程通过区块链交易的方式实现，因此也具备抗DDOS能力。

5. 可审计信息存证。在中继节点内的设备认证、量子密钥加密、中继异或密钥传输等操作均通过区块链安全存证。所有过程在区块链上均有记录，可溯源、可分析，且相比传统的日志分析更加可信，无篡改和伪造风险，也便于进行统一、便捷、可信的中继节点管理。

基于以上范式，可以构建新一代加密通信系统，为通信安全提供更强大的保障，同时，数字资产是数字金融的核心，量子安全区块链与数字资产和数字经济具有紧密的关联，可作为数字经济发展的基础设施之一，为国家发展数字经济提供技术支持。可以预见，基于量子密钥分发和区块链技术的新一代加密通信系统将成为数字经济高速发展的安全基石，也是国家安全的坚实保障。