(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210054546.X (22)申请日 2022.01.18 (71)申请人 华南理工大 学 地址 510640 广东省广州市天河区五山路 381号 (72)发明人 崔巍　颜世露　 (74)专利代理 机构 广州市华学知识产权代理有 限公司 4 4245 专利代理师 杨望仙 (51)Int.Cl. H04L 67/1097(2022.01) H04L 67/104(2022.01) H04L 67/1095(2022.01) H04L 9/32(2006.01) H04L 9/08(2006.01) (54)发明名称 一种基于量子拜占庭共识协议的新型区块 链系统 (57)摘要 本发明公开了一种基于量子拜占庭共识协 议的新型区块链系统， 属于量子信息计算和区块 链分布式共识协议领域。 所述系统架构包括： 用 户层、 核心层和基础层。 用户层包括节点管理和 业务功能； 核心层包括量子拜占庭共识协议、 智 能合约和加密算法； 基础层包括计算存储和对等 网络。 区别于其他区块链系统， 该新型区块链系 统基础层中的对等网络采用经典和量子两种信 道实现节 点间通信。 经典信道用于传输大量经典 的区块数据； 量子信道结合量子计算技术实现了 一种新型的秘密数字列表分发方式， 提高了秘密 数字列表分发的效率和量子资源的利用率。 用户 层中各节点通过秘密数字列表达成核心层中的 量子拜占庭共识协议， 提高了区块链系统的容错 能力和安全性。 权利要求书1页 说明书6页 附图3页 CN 114615288 A 2022.06.10 CN 114615288 A 1.一种基于量子拜占庭共识协议的新型区块链系统， 其特征在于， 所述新型区块链系 统的架构包括三层： 用户层、 核心层、 基础层； 用户层 包括节点管 理和业务功能； 核心层 包括 量子拜占庭共识 协议、 智能合约和 加密算法； 基础 层包括计算存 储和对等网络 。 2.根据权利要求1所述的新型区块链系统， 其特征在于， 系统基础层中的对等网络采用 经典‑量子两种信道进行通信； 系统核心层中的量子拜占庭共识协议包括： 主节点P1的选 取； 主节点P1和其他普通节点通过量子计算和量子信道生成具有特定关联的256组秘密数 字列表； 主节点P1通过经典信道发送区块B、 区块摘要信息m以及依据自身秘密列表生成的 信息位置列表V1给其他各节 点； 各节点Pk收到主节 点P1发送的所有消息后， 通过经典信道将 区块摘要信息m以及依据自身 秘密列表lk生成的信息 位置列表Vk发送给其他节点； 各节点将 所有得到的消息与自身的秘密列 表对比验证， 根据验证结果决定同步更新区块或者放弃更 新。 3.根据权利要求2所述的新型区块链系统， 其特征在于， 区块链节点通过秘密数字列表 的成功分发来协助实现区块链系统核心层中的量子拜占庭共识 协议。 4.根据权利要求2所述的新型区块链系统， 其特征在于， 每次对完整区块的共识需要先 在用户层选取 出主节点P1。 5.根据权利要求2所述的新型区块链系统， 其特 征在于， 通过轮流制选举出主节点。 6.根据权利要求2所述的新型区块链系统， 其特征在于， 用户层的主节点和其它 普通节 点通过量子信道进行量子态传输以协同完成量子相位估计算法， 从而生成具有特定 关联的 一组秘密数字列表； 所述协同完成量子相位估计算法过程包括： 主节点首先生成初始量子态， 初始量子态 在节点之间相互传递， 每次传递每个节点都做出相应的量子操作， 最后回传到主节点进行 最后的操作， 完成一组秘密数字列表的分发。 7.根据权利要求2所述的新型区块链系统， 其特征在于， 所有节点通过1个工作量子比 特和t个辅助量子比特， 通过量子通道传输， 进行nt L次量子通信以完成量子相位估计算法； 其中， n为网络中节点的总数， L 为秘密数字列表的长度。 8.根据权利要求2所述的新型区块链系统， 其特征在于， 区块包括区块头和区块体， 区 块体利用梅克尔树保存上链数据。 9.根据权利要求8所述的新型区块链系统， 其特征在于， 区块头包括： 版本号、 前一个区 块哈希、 梅克尔树的根、 时间戳。 10.根据权利 要求8所述的新型 区块链系统， 其特征在于， 区块的摘要信息由SHA ‑256算 法对区块头进行两次哈希计算得来。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114615288 A 2一种基于 量子拜占庭共识协议的新型区块链系统 技术领域 [0001]本发明涉及 量子信息与计算领域和区块链 分布式共识协议领域， 具体设计了一种 基于量子拜占庭共识 协议的新型区块链系统。 背景技术 [0002]区块链是分布式数据存储、 点对点传输、 共识机制、 加密算法等计算机技术的新型 应用模式。 其创新的分布式去中介化信任体系改变了传统互联网依 托中心化机构建立和维 护信任体系改变了传统互联网依托中心机构建立和维护信任的机制， 给金融、 经济、 政治、 科技和政府等各领域带来深远的影响。 从技术层面来看， 区块链可以看做是分布式系统里 实现数据存储的分布式账本， 共识机制保证分布式节点传输信息时如何保持数据的一致性 问题， 密码学机制保证了区块链信息不被篡改和可认证等的安全性问题。 [0003]区块链的共识机制设计极大地影响区块链系统的性能， 包括交易能力、 可扩展性 和分区容错能力。 其中最重要的分区容错能力指系统中各节点如何在不可信的网络环境中 达成一致的难题。 该难题的解决方法和1982年Leslie  Lamport等人就提出拜占庭将军问题 异曲同工： 在已知 有将军是叛徒的情况下， 其余忠诚的将军如何达成一致协 议。 目前区块链 中应用的共识算法如PoW,PBFT等 都结合实际的应用场景， 从不同程度上给出了拜占庭将军 问题的可行解。 但理论已经证明： 如果有超过1/3的将军 是叛军， 则拜占庭将军问题无解， 除 非将军拥有一组相互关联 的隐私数字列表。 因此， 解决拜占庭将军问题可以归结为解决这 些列表的生成和安全分发问题。 经典的分发方案的安全性依赖于哈希算法和公私钥密码， 而对于具有超越经典优越性的量子计算而言， 公钥 密码体系理论上可以在极短的时间内被 破解， 就意味着没有安全的秘密列表是可用。 因而， 完全依赖于经典的科学技术， 没有办法 完全应对区块链系统中的存在 任意多恶意节点的情况。 如何将区块链技术与抗量子科技结 合， 根据区块链应用场景设计和优化共识机制， 使得区块链系统 能够突破经典限制， 同时具 备抗量子计算 攻击的安全性， 是目前亟 待解决的问题。 发明内容 [0004]基于上述问题， 本发明提供一种基于量子拜占庭共识协议的新型区块链系统， 从 根本上提高区块链系统的安全性和可靠性。 [0005]本发明的技 术方案包括： [0006]一种基于量子拜占庭共识协议的新型区块链系统架构包括三层： 用户层、 核心层、 基础层； 用户层 包括节点管理和业务功能； 核心层 包括量子拜占庭共识协议、 智能合约和加 密算法； 基础层包括计算存储和对等网络。 该新型区块链系统的组成区别于其他区块链系 统体现在量子拜占庭共识 协议和对等网络的不同。 [0007]优选地， 系统基础层中的对等网络采用经典 ‑量子两种信道进行通信； 系统核心层 中的量子拜占庭共识协议包括： 主节点P1的选取； 主节点P1和其他普通节点通过量子计 算和 量子信道生成具有特定关联的256组秘密数字列表； 主节点P1通过经典信道发送区块B、 区说　明　书 1/6 页 3 CN 114615288 A 3