量子安全直接通信与区块链融合：为网络安全保驾护航

原文发表于《科技导报》2026 年第2 期 《 量子安全直接通信与区块链网络融合应用 》

量子计算威胁经典密码体系给区块链网络通信安全带来全新挑战。本文探索了在区块链网络中应用量子安全直接通信的技术方案，并进行了可行性分析和实验验证，实验成功验证了量子安全直接通信与区块链网络融合方案，利用量子安全直接通信技术为区块链网络保驾护航，增强了区块链网络各节点间信息传输的安全性，助力金融行业打造更加安全可信的数字价值网络。

区块链和量子科技作为全球前沿的新兴技术，有望引领新一轮科技革命和产业变革方向，得到全球极大关注。量子科技发展突飞猛进，量子计算可破解公钥密码算法，对以经典密码学为核心的区块链技术体系带来严重威胁，区块链网络中数据、信息和价值传输亦不再安全，区块链可信体系面临极大挑战。庆幸的是，量子安全直接通信（QSDC）技术作为量子通信研究领域最新成果，为区块链网络体系抵御量子计算攻击提供了可能，探索量子安全直接通信技术与区块链网络体系融合应用具有积极的现实意义。

1 区块链网络技术概述

1.1 区块链网络技术原理及特点

区块链是分布式存储、共识机制、点对点网络、加密算法等计算机技术在互联网时代的创新应用模式，数据由所有节点共同维护，以此构建一套信任机制，保障系统内数据公开透明，实现数据记录可溯源和难篡改。区块链作为一种分布式系统，通过点对点（P2P）网络使得区块链网络中每个节点都可以平等、安全地参与共识与记账，实现分布式网络各节点数据的一致性和可靠性。

P2P网络中应用了P2P协议，该协议构成了区块链网络的基础协议，主要包括如下功能。（1）区块链节点标识与发现。（2）区块链节点连接管理。（3）区块链节点信息通信。（4）节点同步。超级账本Hyperledger Fabric采用Gossip算法作为其网络的传播协议，负责新节点发现、节点监测、剔除离线节点、更新节点列表等（图1）。

图1 区块链节点连接管理时序

1.2 区块链网络安全问题现状

匿名性是公有链的重要特点之一，该特点在保护用户节点隐私的同时带来了相关网络安全风险。公有链网络中，用户不需要身份认证便可轻易创建分布式节点，导致攻击者可以轻易伪造身份加入网络实施攻击。

鉴于商业场景对安全、隐私、监管、审计等方面更高的需求，联盟链引入了身份验证机制和网络通信安全协议SSL/TLS以保证分布式节点身份可信和数据传输安全。区块链网络通过SSL/TLS协议，使得不法分子无法通过非法方式窃听、截取和修改网络流量内容，也无法冒充通信者身份，一定程度上确保了区块链节点间共识信息和通信数据传输的安全性和可用性。

然而，SSL/TLS协议在身份认证和会话密钥协商过程中均涉及签名、验签，以及相应的密钥交换等多种非对称加密算法。若上述加密算法存在潜在后门、漏洞或者弱点，数据传输安全将面临巨大安全风险。从国产自主可控的角度考虑，业界通过对通信消息中的密钥协商部分进行国密化适配，实现TLS国密化改造，以保证区块链网络通信安全。

2 量子计算威胁区块链网络通信安全

随着量子计算技术不断取得突破，对于经典计算机来说足够“困难”的密码算法破解问题在量子计算面前可被轻易破解。

2.1 量子计算

量子计算是利用量子力学的基本特性实现问题求解的新型计算模式。量子计算机的处理能力将随着比特数的增长呈指数级增长，可以解决经典计算机无法解决的大规模计算难题。

2.2 量子计算Shor等算法威胁非对称加密算法

量子计算的快速发展导致区块链中的传统密码算法面临着被量子计算机攻击的威胁。Shor算法是一种对大数因子分解，离散对数问题解决有着开创性和重大影响的量子算法。Shor算法的核心是利用数论的相关定理，将大数因子分解过程转化为求某个函数的周期，可以以极高的效率实现量子傅里叶变换，指数级提高大整数的质因子分解速度，从而对公钥密码造成毁灭性的攻击。随着量子比特数持续增加，破解公钥密码算法时间将大大缩减，量子计算机对于区块链威胁日益迫近。

2.3 量子计算Shor等算法威胁区块链网络传输安全

区块链网络中，存在大量使用公钥加密算法的应用。一方面，区块链网络中应用SSL/TLS协议，并通过使用公钥加密算法、数字证书签名等技术手段实现数据加密传输、节点连接认证等；另一方面，公有链应用公钥加密算法实现数字资产确权等。

在量子计算时代，Shor等量子算法能够在多项式时间内解决质因子分解和离散对数问题，攻击者可以利用Shor算法破解SSL/TLS协议公钥加密算法，获取用户私钥，从而伪造区块链数据信息、签名和转移资产等，导致区块链加密通信和数字资产不再安全，以经典密码学为核心的可信区块链体系将不再可信，基于区块链的价值网络亦是空中楼阁。

3 量子保密通信技术保障区块链网络通信安全

3.1 量子通信技术

量子通信作为量子信息科学的重要分支，由Bennett等在20世纪80年代提出，它是利用量子态作为信息载体来进行信息交互的一种新型通信技术。量子通信的关键技术有量子密钥分发（QKD）、量子安全直接通信、量子隐形传态（QT）等。

3.2 量子密钥分发

量子密钥分发是当前最重要和主流的量子保密通信技术之一。量子密钥分发将量子状态作为信息加密和解密的密钥，以量子态为信息载体，通过量子信道使通信双方共享密钥。现阶段较为通用的是由Bennett等于1984年提出的 Bennett−Brassard（BB84）协议。量子密钥分发技术可以建立起安全的通信密钥，通过“一次一密”的加密方式实现点对点的安全通信。

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，它是指利用量子态作为信息载体直接进行安全通信的技术。相比于量子密钥分发，量子安全直接通信将量子通信从量子密钥分发的感知窃听发展成为既感知窃听又阻止窃听。量子安全直接通信通过在量子信道传输信息，可以发现和阻止窃听，不泄露信息，具有高度的安全性。2016年，Hu等在光纤系统中实现了基于单光子频率编码的量子安全直接通信实验演示。2017年，Zhang等完成了基于量子存储的量子安全直接通信演示。同年，Zhu等完成了基于光纤纠缠源的量子安全直接通信演示。2019年，Qi等研制出首台实用化单光子量子安全直接通信样机。2021年，Cao等提出了基于双模压缩态的量子安全直接通信方案。同年，Qi等实现了基于时间−能量纠缠和和频的15个用户量子安全直接通信网络。2022年，Zhang等设计了一种相位量子态与时间戳量子态混合编码的量子安全直接通信新系统。2022年，Long等提出了安全中继网络方案并进行了实验演示。2023年，Wang等演示了基于安全中继的三节点量子安全直接通信网络。2024年，Wang等提出了一种基于格密码算法的量子安全直接通信网络的接入认证方案。2025年，Pan等提出单向量子安全直接通信方案并成功研制系统同年，Yang等成功实现4节点间300 km级的全连接量子安全直接通信网络。

量子安全直接通信在国外的研究更多侧重于新协议的提出和原理验证实验。2006年，Lee等利用GHZ态量子安全直接通信方案构造了量子身份认证协议。同年，Marino等提出基于连续变量纠缠态的量子安全直接通信协议。2008年，Pirandola等提出基于相干态的连续变量量子安全直接通信协议。2016年，Lum等提出用量子数据锁定进行量子安全直接通信并完成实验演示。2019年，Shapiro等提出了基于量子低截获概率的量子安全直接通信协议并完成实验演示；同年，Massa等提出双向量子安全直接通信方案，并进行了实验演示。2021年，Vázquez−Castro等提出了量子无密钥隐私通信协议。同年，Chandra等提出了利用含噪纠缠态进行量子安全直接通信的协议。2023年，Paparelle等完成了压缩态连续变量量子安全直接通信实验演示。量子保密通信如图2 所示。

图2 保密通信

3.4 量子安全直接通信有助于保障区块链网络安全

量子安全直接通信技术基于“海森堡测不准原理”“不可克隆定理”“测量塌缩”等物理特性，实现了高度保密的量子通信。因此，面对强大的量子计算对于区块链的威胁，有必要探索将量子安全直接通信应用在基于经典保密通信技术的区块链网络中，构建端对端安全、量子窃听感知的区块链量子网络，以对抗目前已知的量子计算攻击。

4 量子安全直接通信技术与区块链网络融合应用研究

4.1 量子安全区块链网络的国内外研究现状

国内外对量子安全区块链的研究主要围绕抗量子密码与区块链的结合、量子密钥分发与区块链的融合等方面展开。

在区块链与抗量子密码的结合方面，国内外多个研究团队和项目已取得进展。该方法专注于开发和集成后量子密码学（PQC）算法，旨在替换现有易受量子攻击的经典加密算法，确保区块链网络在量子计算环境下的安全性与隐私保护能力。例如，国外的可验证随机函数（QRL）项目采用基于哈希的XMSS签名算法，Algorand则通过VRF（可验证随机函数）和后量子签名算法（如Falcon）实现了量子安全增强；国内的长安链和蚂蚁链分别集成了Dilithium抗量子签名算法，为区块链交易提供了量子安全保护。

在量子密钥分发与区块链的融合方面，利用量子密钥分发实现节点间的安全密钥交换，为区块链提供理论上不可破解的通信保障。国际方面，2022年，摩根大通公司构建了一个量子密钥分发网络，以保护本公司的生产级点对点区块链网络Liink。国内方面，通付盾公司提出了基于量子密钥分发和区块链技术的新一代加密通信系统方案。2020年，中国联通研究院、亨通光电公司、问天量子公司等机构在“京雄量子加密干线”上完成区块链BaaS+量子通信的验证测试。

在区块链与量子安全直接通信的结合方面，主要是提出理论方案与协议。2023年，Xu等提出在量子存储网络阶段利用量子安全直接通信等技术实现区块链网络的安全通信。2025年，Sun等提出了一种基于量子安全直接通信网络的量子区块链方案。我们提出量子安全直接通信与区块链网络融合技术方案，并在实验上演示验证了量子安全直接通信增强的区块链网络。

4.2 量子安全直接通信与区块链网络融合可行性分析

鉴于区块链网络技术与实用性量子安全直接通信技术的相关接口技术、协议标准、部署环境、性能指标参数等不尽相同，有必要对其进行分析。

区块链网络方面。首先，要明确区块链网络协议通信时间相关指标参数。其次，明确区块链交易中数据通信速率相关指标数据。

量子安全直接通信方面。目前，安全中继用量子安全直接通信和抗量子密码结合，可以实现量子通信安全组网。其中，密文在量子信道中传送，具备感知窃听和防止窃听的能力。经典中继的信息在抗量子密码保护下具有可抵抗量子计算攻击的安全性。当前，量子安全直接通信系统具有较高的稳定性和极低的量子比特误码率（QBER），为接入区块链网络并正常通信奠定基础。

如图3所示，本实验将区块链节点间的传统通信信道替换为量子安全直接通信。在该配置下，数据从节点A由其量子安全直接通信发送端（Alice）发出，通过量子信道安全传输，由节点B的QSDC接收端（Bob）接收，最终由Bob将数据转发给节点B进行处理。

图3 区块链融合QSDC集成示意

4.3 量子安全直接通信与区块链网络融合实验验证

如图4所示，在实验室环境下构建区块链网络，各参与机构（如机构 A、B 等）均部署区块链节点。为提高信道安全性，节点间的通信采用单向量子安全直接通信协议实现，机构节点的数据接口与量子安全直接通信发射端/接收端设备（Alice和Bob）配对连接，并通过协议适配与接口转换实现数据通信。

图4 实验室环境下基于量子安全直接通信的区块链网络示意

如图5所示，实验测得系统平均量子比特误码率为3.84%。基于此配置，首先验证了利用量子安全直接通信技术在2个机构间成功进行量子通信的能力。继而，进一步在该融合了量子安全直接通信的区块链网络上执行交易功能测试，以验证系统的整体可行性。

图5 量子安全直接通信系统量子比特误码率测试结果

验证实施步骤如下。

（1）测试环境准备。配置A机构和B机构的区块链节点，并确保其正常运行。配置量子安全直接通信系统设备，确保区块链节点与量子安全直接通信设备之间正常通信。

（2）节点共识测试。通过日志观察A机构与B机构节点间的共识过程是否正常完成，验证共识算法正确执行。

（3）合约创建部署测试。在A机构的节点上创建和部署智能合约，并在B机构节点上验证其在网络中的正确性和可用性。

（4）合约交易测试。发起合约交易操作，在A机构的节点上执行合约的调用操作，并在B机构节点上检查交易是否被正确记录和执行。

（5）合约查询测试。在B机构节点上进行合约查询，验证查询结果的准确性和一致性。

实验结果显示，量子安全直接通信在节点共识、合约创建、合约交易及合约查询4个核心场景中均表现出与经典信道相近的流量性能。具体数据如表1所示。

表1 实验室环境下基于量子安全直接通信的区块链核心功能流量指标数据

上述结果验证了量子安全直接通信在保持安全特性的同时，能够支撑区块链基础通信需求。该实验为构建基于量子通信技术的安全区块链网络提供了重要的数据参考。

当然，在实际生产面临高频次交易场景需求时，一方面，需要对区块链进行分流分层优化改造处理，以满足高标准的业务需求通过设置流量分级管理机制；另一方面，通过提升量子硬件性能参数，包括提升弱相干光光源的重复频率、单光子探测器的探测效率、量子态的调制解调速率和优化编解码方案等措施，使量子信道的数据传输速率和有效吞吐量逐步提升。

为保障安全中继节点数据安全性，在量子信道传输和安全中继节点中，采用抗量子密码算法对数据进行加密，以抵御量子计算机对安全中继节点数据的破译和攻击。根据量子安全直接通信网络技术指标参数情况，调整区块链节点P2P网络模块相关参数进行适配，保证节点之间正常通信。

5 结论与展望

基于“海森堡测不准原理”“量子不可克隆定理”“测量塌缩”等物理特性，量子安全直接通信可实现端对端安全，同时具备感知窃听和阻止窃听的能力。

我们探索在区块链网络中应用量子安全直接通信技术方案，利用量子安全直接通信技术为区块链网络保驾护航，增加了区块链网络各节点间信息传输的安全性，助力金融行业打造更加安全可信的数字价值网络。未来可通过量子中继网络和卫星通信扩展传输距离，采用高维量子编码提升通信速率，开发量子适配中间件实现协议兼容。

随着量子通信技术快速发展，量子安全直接通信局域网、城际网及全球量子网络将逐步成为现实，建立在量子安全直接通信之上的区块链将有助于构建无条件安全、信息可信的数字基建底座，赋能数字经济发展。

本文作者：吴永飞、龙桂鲁、金建新、王彦博、王敏、魏文术、刘曦子、杨璇

作者简介：吴永飞，华夏银行股份有限公司，研究员，研究方向为金融科技、数字金融；龙桂鲁（共同第一作者），低维量子物理国家重点实验室，清华大学物理系，北京量子信息科学研究院，教授，研究方向为量子信息、量子通信、量子算法；王彦博（通信作者），华夏银行股份有限公司，副研究员，研究方向为大数据、人工智能、量子金融科技、光子金融科技、数字金融；王敏（共同通信作者），北京量子信息科学研究院，副研究员，研究方向为量子通信、微纳光学。

文章来 源 ： 吴永飞, 龙桂鲁, 金建新, 等. 量子安全直接通信与区块链网络融合应用[J]. 科技导报, 2026, 44(2): 89−97 .

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