信息网络安全 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (8): 1237-1249.doi: 10.3969/j.issn.1671-1122.2026.08.006
收稿日期:2026-01-15
出版日期:2026-08-10
发布日期:2026-09-23
通讯作者:
刘昂
E-mail:liuang0826@163.com
作者简介:韩妍妍(1986—),女,黑龙江,研究员,博士,主要研究方向为区块链、秘密共享、信息安全管理|杜雨芃(2000—),男,山东,硕士研究生,主要研究方向为区块链|余卓洲(2000—),男,四川,硕士研究生,主要研究方向为可视密码|刘昂(1988—),男,湖北,工程师,博士,主要研究方向为密码学、量子信息、区块链|刘雯(1996—),女,北京,助理工程师,硕士,主要研究方向为网络空间安全治理
基金资助:
Han Yanyan1, Du Yupeng1, Yu Zhuozhou1, Liu Ang2(
), Liu Wen1
Received:2026-01-15
Online:2026-08-10
Published:2026-09-23
Contact:
Liu Ang
E-mail:liuang0826@163.com
摘要:
针对经典区块链难以抵御量子攻击、后量子区块链缺乏严格安全证明,以及量子区块链节点门槛过高等问题,文章提出一种基于半量子网络的安全区块链架构。首先,采用量子哈希函数和半量子签名算法,其安全性基于物理定律实现,能够有效抵御量子敌手的攻击。其次,使用一种基于量子投票协议的记账节点选择方案,旨在解决传统委托权益证明(DPoS)共识机制无法有效抵御量子敌手攻击的问题。最后,为降低量子区块链节点接入的门槛,提出基于半量子指定验证者签名的交易方案。安全性分析表明,该区块链架构方案在保证区块链安全性的同时,具备良好的可扩展性与较高的运行效率。
中图分类号:
韩妍妍, 杜雨芃, 余卓洲, 刘昂, 刘雯. 基于半量子网络的安全区块链[J]. 信息网络安全, 2026, 26(8): 1237-1249.
Han Yanyan, Du Yupeng, Yu Zhuozhou, Liu Ang, Liu Wen. Secure blockchain based on semi-quantum network[J]. Netinfo Security, 2026, 26(8): 1237-1249.
表2
符号及其含义
| 符号 | 含义 |
|---|---|
| 第k位投票节点 | |
| 第k位投票节点在量子投票过程中生成的索引号 | |
| 量子态测量时所采用的基,对于量子比特来说是由 | |
| 量子比特在计算基C下的状态,在C计算基下, | |
| 扩展后的能级数,在本文中 | |
| 第j个投票者对第k个候选人的投票决定 | |
| 基于索引号的一个排列组合 | |
| 投票节点j对投票节点k的投票结果 候选节点j的得票结果 | |
| 真隶属函数,表示在对 | |
| 假隶属函数,表示在对 | |
| 模糊隶属函数,是对 | |
| 控制参数,用来调节投弃权票的态度,避免弃权票总是中立的 | |
其第 | |
| 抗量子哈希函数,用于生成经典控制比特串 | |
| 由 | |
| 签名验证值 |
| [1] | Nakamoto S. Bitcoin: a peer-to-peer electronic cash system[R/OL]. 2008-01-09. https://bitcoin.org/bitcoin.pdf. |
| [2] | Weerawarna R, Miah S J, Shao Xuefeng. Emerging advances of blockchain technology in finance: a content analysis[J]. Personal and Ubiquitous Computing, 2023, 27(4): 1495-1508. |
| [3] | Kucukaltan B, Kamasak R, Yalcinkaya B, et al. Investigating the themes in supply chain finance: the emergence of blockchain as a disruptive technology[J]. International Journal of Production Research, 2024, 62(22): 8173-8192. |
| [4] | Ghosh P K, Chakraborty A, Hasan M, et al. Blockchain application in healthcare systems: a review[J]. Systems, 2023, 11(1): 38. |
| [5] | 冯景瑜, 汪涛, 于婷婷, 等. 基于多云多链协同的医疗数据安全共享机制[J]. 信息网络安全, 2022, 22(1): 9-18. |
| [6] | Xu Xiaofeng, He Yangyang. Blockchain application in modern logistics information sharing: a review and case study analysis[J]. Production Planning & Control, 2024, 35(9): 886-900. |
| [7] | Shor P W. Algorithms for quantum computation: discrete logarithms and factoring[C]// The 35th Annual Symposium on Foundations of Computer Science. New York: IEEE, 1994: 124-134. |
| [8] | Grover L K. A fast quantum mechanical algorithm for database search[C]// The Twenty-eighth Annual ACM Symposium on Theory of Computing. New York: ACM, 1996: 212-219. |
| [9] | Simon D R. On the power of quantum computation[J]. SIAM Journal on Computing, 1997, 26(5): 1474-1483. |
| [10] | Li Silong, Chen Yuxiang, Chen Lin, et al. Post-quantum security: opportunities and challenges[J]. Sensors, 2023, 23(21): 8744. |
| [11] | Fernandez-Carames T M, Fraga-Lamas P. Towards post-quantum blockchain: a review on blockchain cryptography resistant to quantum computing attacks[J]. IEEE Access, 2020, 8: 21091-21116. |
| [12] | Subramani S, Svn S K. Review of security methods based on classical cryptography and quantum cryptography[J]. Cybernetics and Systems, 2025, 56(3): 302-320. |
| [13] | Kiktenko E O, Pozhar N O, Anufriev M N, et al. Quantum-secured blockchain[J]. Quantum Science and Technology, 2018, 3(3): 035004. |
| [14] | Rajan D, Visser M. Quantum blockchain using entanglement in time[J]. Quantum Reports, 2019, 1(1): 3-11. |
| [15] | 谢四江, 程安东, 公鹏飞. 一种基于QKD的多方拜占庭共识协议[J]. 信息网络安全, 2023, 23(8): 41-51. |
| [16] | 刘昂. 基于量子密码的区块链安全交易关键问题研究[D]. 北京: 北京邮电大学, 2024. |
| [17] | Yang Zebo, Alfauri H, Farkiani B, et al. A survey and comparison of post-quantum and quantum blockchains[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2024, 26(2): 967-1002. |
| [18] | Li Chaoyang, Chen Xiubo, Chen Yuling, et al. A new lattice-based signature scheme in post-quantum blockchain network[J]. IEEE Access, 2019, 7: 2026-2033. |
| [19] | Yi Haibo. A post-quantum blockchain notary scheme for cross-blockchain exchange[J]. Computers and Electrical Engineering, 2023, 110: 108832. |
| [20] | Tiwari N, Dwivedi S, Singh S. New Post-quantum crypto-algorithm utilizing hash function: applicable in blockchain[C]// International Conference on Innovative Computing and Communication. Heidelberg: Springer, 2024: 535-541. |
| [21] | Rawal B S, Curry P J. Challenges and opportunities on the horizon of post-quantum cryptography[J]. APL Quantum, 2024, 1(2): 026110. |
| [22] | Boyer M, Kenigsberg D, Mor T. Quantum key distribution with classical Bob[C]// 2007 First International Conference on Quantum, Nano, and Micro Technologies (ICQNM’07). New York: IEEE, 2007: 10-14. |
| [23] | Boyer M, Gelles R, Kenigsberg D, et al. Semiquantum key distribution[J]. Physical Review A, 2009, 79(3): 032341. |
| [24] | Bennett C H, Brassard G. An update on quantum cryptography[C]// Workshop on the Theory and Application of Cryptographic Techniques. Heidelberg: Springer, 1984: 475-480. |
| [25] | Li Qin, Wu Jiajie, Quan Junyu, et al. Efficient quantum blockchain with a consensus mechanism QDPoS[J]. IEEE Transactions on Information Forensics and Security, 2022, 17: 3264-3276. |
| [26] | Xu Guangxia, Liu Yong, Khan P W. Improvement of the DPoS consensus mechanism in blockchain based on vague sets[J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2020, 16(6): 4252-4259. |
| [27] | Zhang Ling, Zhang Jiahao, Xin Xiangjun, et al. Semi-quantum designated verifier signature scheme[J]. International Journal of Theoretical Physics, 2023, 62(12): 254. |
| [28] | Shannon C E. Communication theory of secrecy systems[J]. Bell System Technical Journal, 1949, 28(4): 656-715. |
| [29] | Ye Qing, Lang Yongkang, Guo Hongfu, et al. Efficient lattice-based traceable ring signature scheme with its application in blockchain[J]. Information Sciences, 2023, 648: 119536. |
| [30] | Kumar M, Mondal B. Quantum blockchain architecture using cyclic QSCD and QKD[J]. Quantum Information Processing, 2024, 23(3): 101. |
| [1] | 付章杰, 刘天怿, 宋甫元, 姜琴. 一个支持区块链分片的可验证跨链查询方案[J]. 信息网络安全, 2026, 26(8): 1209-1223. |
| [2] | 刘哲凡, 郭亚军, 郭奕旻, 赵素芬. 抗隐式攻击的基于ASCON的轻量级工业物联网认证方案[J]. 信息网络安全, 2026, 26(8): 1308-1326. |
| [3] | 李锦凯, 王靖雯, 董立波, 姚文翰, 刘成杰, 文伟平. 基于时序图注意力网络的区块链异常交易检测方法[J]. 信息网络安全, 2026, 26(4): 579-590. |
| [4] | 罗文华, 许世龙, 吕涛, 张宁. 融合布谷鸟过滤与时序B+树的区块链数据溯源机制[J]. 信息网络安全, 2026, 26(3): 442-451. |
| [5] | 梁广俊, 裘宇辰, 司宏韬, 王群, 马卓, 陈宇琪. 区块链虚拟货币溯源与分析[J]. 信息网络安全, 2026, 26(3): 482-490. |
| [6] | 郭毅, 李旭青, 张子蛟, 张宏涛, 张连成, 张香丽. 基于区块链的数据安全共享研究[J]. 信息网络安全, 2026, 26(1): 1-23. |
| [7] | 董佳瑜, 高宏民, 马兆丰, 赖冠辉. 多重签名机制在区块链中的研究及实现[J]. 信息网络安全, 2026, 26(1): 125-138. |
| [8] | 杨建新, 汪晓丁, 林晖. 基于HotStuff和多叉树的改进共识算法[J]. 信息网络安全, 2025, 25(9): 1447-1455. |
| [9] | 佘维, 马天祥, 冯海格, 刘炜. 基于RBF机制的无痕区块链隐蔽通信方案[J]. 信息网络安全, 2025, 25(8): 1302-1312. |
| [10] | 刘峰, 黄灏. 一种基于智能合约预言机技术的主动式去中心化监管传感网络架构[J]. 信息网络安全, 2025, 25(6): 898-909. |
| [11] | 叶佳骏, 高翠凤, 薛吟兴. 基于静态分析的价格预言机操纵源代码检测方法研究[J]. 信息网络安全, 2025, 25(5): 732-746. |
| [12] | 秦金磊, 康毅敏, 李整. 智能电网中轻量级细粒度的多维多子集隐私保护数据聚合[J]. 信息网络安全, 2025, 25(5): 747-757. |
| [13] | 朱晓强, 张皓文, 林彦孜, 刘吉强. 基于可信数字身份的轻量级分布式认证方案[J]. 信息网络安全, 2025, 25(5): 817-827. |
| [14] | 杨亚涛, 丁渝诚, 刘培鹤, 桑鹏. 基于区块链的隐私保护和数字认证研究[J]. 信息网络安全, 2025, 25(4): 640-653. |
| [15] | 张雨轩, 黄诚, 柳蓉, 冷涛. 结合提示词微调的智能合约漏洞检测方法[J]. 信息网络安全, 2025, 25(4): 664-673. |
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