量子通信與區塊鏈構建下一代加密通信基礎設施
量子技術和區塊鏈技術是國家信息安全和國家數字化轉型的重要組成部分，在國家戰略中具有重要地位。“十四五”規劃綱要將“加快數字發展建設數字中國”作為獨立篇章，指出要進一步明確發展云計算、大數據、物聯網、工業互聯網、區塊鏈、人工智能、虛擬現實和增強現實等七大數字經濟重點產業，指出要瞄準人工智能、量子信息、集成電路、生命健康、腦科學等前沿領域，實施一批具有前瞻性、戰略性的國家重大科技項目。2025年數字經濟核心產業增加值占GDP比重將達到10%。量子技術的發展可以為國家提供更高級別的信息安全保障，而區塊鏈技術則是天然的信任系統，兩者的結合可以建設新一代加密通信系統，在金融、能源、現代物流、物聯網等領域發揮重要作用，在促進數字經濟發展、推動智能化升級、促進現代化治理等方面都均具有重要意義。
當前信息通信領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，可能導致機密數據泄露或個人隱私泄露。
2、分布式拒絕服務攻擊（DDoS攻擊）：攻擊者通過某種方法使系統響應減慢或癱瘓，阻止合法用戶獲得服務，造成網絡或系統服務不可用。
3、黑客攻擊和網絡欺詐：攻擊者利用通信通道漏洞或其他手段非法訪問網絡系統，進行篡改、破壞或竊取數據等惡意行為，可能導致巨大經濟損失和安全風險。
4、病毒和惡意軟件：通過通信網絡傳播的病毒和惡意軟件可以破壞系統、竊取數據或執行其他非法操作，對通信系統的安全性和穩定性造成嚴重威脅。
量子技術和區塊鏈技術可以從通信網絡安全性和通信主體信任驗證這兩個維度實現通信安全。
量子技術是構建安全通信網絡的基石。量子密鑰分發可以利用量子力學的一些特性，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。在傳統的密碼學中，為了保證通信的安全性，通常需要使用加密算法將明文轉化為密文，而密鑰是加密和解密的重要參數。然而，傳統的加密算法存在一些漏洞或弱點，例如，竊聽者可以通過截取或測量傳輸的密鑰信息來破解加密通信。相比之下，量子密鑰分發利用了量子力學的不可克隆性，即不可能復制一個未知的量子態。因此，竊聽者在嘗試竊取傳輸的量子密鑰信息時，會不可避免地破壞原始量子態，從而被檢測出來。此外，量子密鑰分發也利用了量子不可分割的特性，確保了密鑰的分發是安全可靠的。
區塊鏈技術為安全通信網絡提供信任系統。首先，它采用分布式存儲方式，將數據存儲在多個節點上，降低了單點故障的風險，提高了數據的可靠性和安全性。其次，區塊鏈技術采用共識機制，確保所有節點達成共識，防止惡意節點篡改或偽造數據，提高了數據的一致性和真實性。此外，區塊鏈技術采用加密技術，對數據進行加密和解密，防止未經授權的第三方訪問或篡改數據，確保數據在傳輸和處理過程中的安全性。另外，區塊鏈技術的不可篡改性使得數據一旦被寫入區塊鏈，就無法被篡改或刪除，降低了數據被篡改的風險。最后，區塊鏈技術的去中心化特點避免了中心節點被攻擊或控制的風險，提高了整個網絡系統的安全性和穩定性。這些特點的結合使得區塊鏈技術成為一種高度安全和可靠的通信安全解決方案，可以有效地保護通信數據的安全和完整性，防范各種形式的攻擊和篡改。
量子安全區塊鏈是新一代加密通信系統的終極形態
量子密鑰分發是具有信息論安全證明的密鑰分發技術。目前，量子密鑰分發組網或長距離傳輸必須部署中繼節點，而中繼節點一旦泄露會影響整條鏈路的安全。通常為了保障中繼節點的安全，會通過密鑰管理機、密碼卡、終端加固等方式對中繼節點進行安全保護。但是，傳統的加固和保護方式只能不斷提高安全性，并不能徹底解決中繼節點安全可信的問題；并且中繼節點內的認證、加密、傳輸等模塊交互復雜，缺少統一、便捷、可信的管理方式，這也不利于量子密鑰分發的應用和普及。因此有必要探索安全可信、高效靈活的可信中繼技術。
區塊鏈是我國數字經濟發展的重要組成部分，但當前區塊鏈技術中依賴數學困難問題的經典加密算法并不能對抗量子計算（例如，Shor量子算法及其變體將導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技術，構建量子安全區塊鏈。
利用區塊鏈和量子密鑰分發技術，可以解決長距離量子密鑰分發的中繼安全問題和區塊鏈量子安全問題。首先，可以利用區塊鏈“信任機器”的特性和分布式數字身份技術，在現有中繼節點安全體系基礎上實現一種基于區塊鏈的中繼節點安全保護方案，與現有中繼節點安全體系相互兼容，通過去中心化的方式進一步保障中繼節點的設備安全、訪問控制安全和量子密鑰安全，大大提高量子密鑰分發中繼節點的安全性。其次，基于區塊鏈安全存證特性對量子密鑰管理機、多種密碼卡、終端加固等過程進行統一存證和管理，利于量子密鑰分發及安全通信的大規模應用和普及。最終，利用量子密鑰分發技術，對區塊鏈體系中關鍵的共識機制、數字簽名和隨機數生成進行升級改造，可對抗量子計算攻擊，構建完整的量子安全區塊鏈。
一個完備的量子區塊鏈應當包括：
1、基于量子密鑰分發的簽名算法，替換區塊鏈中現有的公鑰密碼算法。通過采用基于量子密鑰分發的簽名方案，保證區塊鏈系統中數字簽名過程的量子安全。
2、量子安全的新型共識機制，例如，以PBFT共識機制為基礎，通過加入快速模式、消除視圖轉換過程等方式，優化共識策略。完成狀態機復制，實現拜占庭容錯，提高共識效率。因采用基于投票的共識機制，無需挖礦過程，故可避免出現因Grover量子算法導致的51%攻擊。
3、適配現有區塊鏈體系，支持擴容、跨鏈、Layer2等基礎功能。
一個基于量子區塊鏈的信息安全系統應當包括：
1、安全可信中繼節點。在同一個可信中繼節點內，量子密鑰分發（QKD）設備、量子密鑰管理機和區塊鏈節點是相互獨立的設備，它們之間通過網線等傳輸通道連接，未來可以集成到一個設備內部通過背板等手段連接。
2、節點設備數字身份（DID）。QKD設備和量子密鑰管理機在區塊鏈上都擁有自己的分布式數字身份（DID），QKD設備與量子密鑰管理機之間除常規的認證外，也通過DID進行設備認證，QKD設備與量子密鑰管理機之間的通信可通過基于DID的公鑰加密算法進行加密，保證中繼節點內設備認證安全和通信安全。
3、量子安全可追溯通信加密。一個可信中繼節點內，QKD設備生成的量子密鑰發送給量子密鑰管理機后，將采用一次一密方式加密形成中繼異或密鑰，加密過程可通過區塊鏈進行安全存證，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。中繼異或密鑰將發送給下一個中繼節點或端節點，下一個中繼節點或端節點的地址可通過智能合約實現并部署，保證中繼異或密鑰的分發鏈路安全可信，防止密鑰被盜。當中繼節點被人為破壞或替換后，中繼節點鏈路上的量子密鑰分發將自動失效，并實時感知中繼節點被破壞的具體位置。中繼異或密鑰的分發過程通過區塊鏈交易的方式實現，因此也具備抗DDOS能力。
5、可審計信息存證。在中繼節點內的設備認證、量子密鑰加密、中繼異或密鑰傳輸等操作均通過區塊鏈安全存證。所有過程在區塊鏈上均有記錄，可溯源、可分析，且相比傳統的日志分析更加可信，無篡改和偽造風險，也便于進行統一、便捷、可信的中繼節點管理。
基于以上范式，可以構建新一代加密通信系統，為通信安全提供更強大的保障，同時，數字資產是數字金融的核心，量子安全區塊鏈與數字資產和數字經濟具有緊密的關聯，可作為數字經濟發展的基礎設施之一，為國家發展數字經濟提供技術支持。可以預見，基于量子密鑰分發和區塊鏈技術的新一代加密通信系統將成為數字經濟高速發展的安全基石，也是國家安全的堅實保障。
