基于量子區(qū)塊鏈的食品冷鏈追溯系統(tǒng)構(gòu)建

何 靜，胡鑫月

（上海海洋大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，上海 201306）

2020年新型冠狀病毒肺炎疫情席卷全球，我國多地食品冷鏈中檢測(cè)到新型冠狀病毒，給相關(guān)企業(yè)食品安全及疫情防控工作帶來了巨大的挑戰(zhàn)。冷鏈?zhǔn)称穼?duì)生產(chǎn)、運(yùn)輸、貯藏、銷售全過程的時(shí)間和環(huán)境控制都有很高的要求，其中一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都可能會(huì)觸發(fā)食品安全事件。當(dāng)前食品冷鏈逐漸呈現(xiàn)多渠道、多主體、網(wǎng)絡(luò)化的趨勢(shì)，傳統(tǒng)鏈?zhǔn)阶匪菹到y(tǒng)中各企業(yè)間信息不對(duì)稱、追溯斷鏈、追溯環(huán)節(jié)中心化、信息真實(shí)性存疑、政府監(jiān)管部門無法有效監(jiān)管等問題依舊嚴(yán)重，建設(shè)高水平食品冷鏈追溯系統(tǒng)可以有效地對(duì)食品安全問題進(jìn)行事前防范和事后溯源跟蹤，因此，如何通過開發(fā)高效的溯源技術(shù)不斷提升追溯水平已成為重要的研究課題。

目前區(qū)塊鏈技術(shù)作為信息前沿技術(shù)之一，具有不可篡改、分布式、去中心化、可追溯等特點(diǎn)，受到國家政府、企業(yè)機(jī)構(gòu)以及各領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的高度重視。許多學(xué)者將區(qū)塊鏈技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)、射頻識(shí)別、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、可視化技術(shù)等結(jié)合，促進(jìn)了區(qū)塊鏈在食品溯源系統(tǒng)建設(shè)方面的廣泛應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，李小玲、張森、孫艷舫等將區(qū)塊鏈應(yīng)用于生鮮食品冷鏈物流信息追溯領(lǐng)域，對(duì)訂單數(shù)據(jù)和冷鏈環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行上鏈存儲(chǔ)，構(gòu)建了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的食品冷鏈物流信息追溯系統(tǒng)，從而提高了食品冷鏈物流行業(yè)的可信性和數(shù)據(jù)的安全性。在生產(chǎn)實(shí)踐中，京東物流也已經(jīng)開始進(jìn)行區(qū)塊鏈布局，通過打造冷鏈倉儲(chǔ)網(wǎng)、冷鏈運(yùn)輸網(wǎng)、冷鏈配送網(wǎng)“三位一體”的綜合冷鏈服務(wù)體系，以適應(yīng)其所構(gòu)建的社會(huì)化冷鏈協(xié)同網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的要求。

區(qū)塊鏈為解決傳統(tǒng)食品冷鏈追溯系統(tǒng)中存在的問題提供了可能，但是近年來，隨著量子科技的發(fā)展，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)其強(qiáng)大的計(jì)算能力對(duì)區(qū)塊鏈的安全也產(chǎn)生了一定的威脅。一方面，量子計(jì)算中的Grover暴力搜索算法會(huì)對(duì)區(qū)塊鏈源數(shù)據(jù)進(jìn)行暴力搜索，使得對(duì)“挖礦”這類對(duì)算力有著高要求的區(qū)塊鏈共識(shí)機(jī)制產(chǎn)生威脅；另一方面，量子計(jì)算的Shor算法對(duì)于區(qū)塊鏈普遍使用的加密技術(shù)構(gòu)成威脅，能夠破解公私鑰的加密。Kiktenko等提出基于量子密鑰技術(shù)進(jìn)行身份驗(yàn)證的量子區(qū)塊鏈，通過為區(qū)塊鏈信息提供加密安全傳輸信道，構(gòu)建出一種具有絕對(duì)安全的分布式區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)。張俊等認(rèn)為基于量子密鑰分發(fā)與量子隱形傳態(tài)的量子區(qū)塊鏈具有較好的發(fā)展前景，可以抵御量子威脅。應(yīng)用方面，鄭濤等結(jié)合量子技術(shù)與區(qū)塊鏈方案提出了一種基于信任評(píng)估的量子區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)下的匿名選舉方案；Sun Xin等提出了一種基于量子區(qū)塊鏈的抽簽協(xié)議和拍賣協(xié)議；Zhang Jialei等提出了一種基于區(qū)塊鏈和量子簽名的電子支付協(xié)議。

綜上所述，區(qū)塊鏈技術(shù)雖然具有很高的安全屬性，但在信息傳輸、處理的過程中，數(shù)據(jù)仍可能被暴露或篡改，從而造成信任缺失。量子通信使通信雙方可以在安全性未知的信道上建立具備信息理論安全的密鑰分發(fā)通道，在一定程度上增強(qiáng)了系統(tǒng)安全性。因此本文提出基于量子區(qū)塊鏈的食品冷鏈追溯系統(tǒng)構(gòu)建思路，利用量子區(qū)塊鏈中量子密碼的無條件安全優(yōu)勢(shì)以及共識(shí)機(jī)制、智能合約等技術(shù)賦能食品冷鏈追溯系統(tǒng)，借助量子密鑰通信技術(shù)完成節(jié)點(diǎn)間的身份驗(yàn)證評(píng)估，替代傳統(tǒng)區(qū)塊鏈非對(duì)稱加密的數(shù)字簽名，經(jīng)全網(wǎng)廣播驗(yàn)證，保障食品冷鏈網(wǎng)絡(luò)中多節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸安全，增強(qiáng)追溯主體間信任，以解決當(dāng)前冷鏈追溯存在的問題，為冷鏈?zhǔn)称纷匪菹到y(tǒng)高效可持續(xù)發(fā)展提供參考和借鑒。

1 區(qū)塊鏈與量子區(qū)塊鏈

1.1 區(qū)塊鏈的技術(shù)原理及其局限性

區(qū)塊鏈?zhǔn)菍?shù)據(jù)存儲(chǔ)在區(qū)塊中，以密碼學(xué)方式將各數(shù)據(jù)區(qū)塊以時(shí)間順序連接起來的分布式賬本技術(shù)，是在去中心化的網(wǎng)絡(luò)中建立一個(gè)不依賴第三方或核心機(jī)構(gòu)的共享數(shù)據(jù)庫，所有用戶節(jié)點(diǎn)都可以訪問、監(jiān)督和使用這個(gè)數(shù)據(jù)庫。如圖1所示，區(qū)塊鏈中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間產(chǎn)生交易，將交易進(jìn)行全網(wǎng)廣播，接收節(jié)點(diǎn)對(duì)交易進(jìn)行打包至新區(qū)塊中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行共識(shí)算法，并將驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行全網(wǎng)廣播，通過全網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的共識(shí)驗(yàn)證，將該數(shù)據(jù)區(qū)塊加入?yún)^(qū)塊鏈中。

圖1 區(qū)塊鏈工作原理Fig. 1 Working principle of blockchain

區(qū)塊鏈中的每一個(gè)區(qū)塊都封裝了前一區(qū)塊地址、當(dāng)前區(qū)塊的目標(biāo)哈希值、Merkle根以及時(shí)間戳等信息，通過哈希值和時(shí)間戳把每個(gè)區(qū)塊連接起來，保證了數(shù)據(jù)的不可篡改和可追溯性，另外通過共識(shí)機(jī)制和分布式存儲(chǔ)保證了數(shù)據(jù)的去中心化和一致性。

近幾年區(qū)塊鏈技術(shù)在諸多領(lǐng)域得到應(yīng)用，但在推廣應(yīng)用的過程中也暴露出一些局限：1）系統(tǒng)性能效率逐漸下降。不同的區(qū)塊鏈類型和平臺(tái)在用戶接入、數(shù)據(jù)容量上都有一定的局限性，隨著區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增多，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)冗余多，個(gè)人對(duì)個(gè)人（peer to peer，P2P）網(wǎng)絡(luò)傳播、處理和驗(yàn)證事務(wù)所需的時(shí)間也不斷延長，系統(tǒng)的性能效率也會(huì)逐漸下降。2）存在系統(tǒng)安全危機(jī)?；赑oW共識(shí)過程節(jié)點(diǎn)通過掌握全網(wǎng)超過51%的算力就有能力成功篡改和偽造區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)。另外，由于區(qū)塊鏈分布式系統(tǒng)的特性，其在交易的時(shí)候存在延時(shí)是不可避免的，一旦有害信息被寫入鏈中會(huì)快速擴(kuò)散且不易更改，這就給信息安全監(jiān)管帶來極大的挑戰(zhàn)。此外，區(qū)塊鏈也面臨傳統(tǒng)的“雙花”“分叉攻擊”以及量子計(jì)算的威脅。3）用戶隱私泄露的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)前的區(qū)塊鏈通過公私鑰進(jìn)行身份驗(yàn)證，交易對(duì)象之間仍具有一定的匿名性，但隨著身份驗(yàn)證技術(shù)的發(fā)展，對(duì)公私鑰系統(tǒng)的破解、對(duì)數(shù)據(jù)傳輸用戶身份的識(shí)別將成為可能，而且攻擊者可以通過在網(wǎng)絡(luò)層、交易層和應(yīng)用層發(fā)動(dòng)不同形式的攻擊，在更多的位置獲取數(shù)據(jù)副本，達(dá)到竊取隱私、分析區(qū)塊數(shù)據(jù)、提取用戶畫像等目的。

1.2 量子區(qū)塊鏈

1.2.1 量子與量子區(qū)塊鏈

1990年馬克斯·普朗克在輻射對(duì)黑體影響的研究中引入了能量量子，標(biāo)志著量子力學(xué)的誕生。量子論提出的基本單元是量子比特，具有疊加態(tài)和糾纏態(tài)，量子糾纏即兩個(gè)粒子之間不論相距多遠(yuǎn)，不受空間影響、不需任何連接，只要一個(gè)粒子狀態(tài)發(fā)生變化，就能立即使另一個(gè)粒子狀態(tài)發(fā)生相應(yīng)變化；疊加是量子系統(tǒng)同時(shí)處于多種狀態(tài)的能力，它使得量子信息單元的狀態(tài)可以處于多種可能性的疊加狀態(tài)，從而導(dǎo)致量子信息處理在效率上相比于經(jīng)典信息處理方式具有更高潛力。

將量子信息技術(shù)與區(qū)塊鏈技術(shù)相結(jié)合，形成量子區(qū)塊鏈，很大程度上能夠避免量子攻擊。傳統(tǒng)區(qū)塊鏈將數(shù)據(jù)按時(shí)間順序存儲(chǔ)在密碼技術(shù)連接的區(qū)塊中，量子區(qū)塊鏈則是將區(qū)塊信息編碼成一連串彼此纏繞的光子。這些區(qū)塊通過時(shí)間上的糾纏按時(shí)間順序連接起來，運(yùn)用量子密鑰分發(fā)技術(shù)代替非對(duì)稱加密傳輸，以量子簽名進(jìn)行身份驗(yàn)證，形成糾纏量子態(tài)對(duì)照效應(yīng)，達(dá)成量子共識(shí)，保證任意節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼鎸?shí)性，防止數(shù)據(jù)被篡改，結(jié)合分布式存儲(chǔ)、智能合約等技術(shù)實(shí)現(xiàn)追溯系統(tǒng)所有節(jié)點(diǎn)共同參與、共同維護(hù)。

1.2.2 關(guān)鍵技術(shù)

1.2.2.1 量子密鑰分發(fā)

量子密鑰分發(fā)技術(shù)是以量子為載體實(shí)現(xiàn)用戶兩端的密鑰共享，“不確定性原理”“海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理”“量子不可克隆定律”等量子力學(xué)基本定律使其具有無條件安全的優(yōu)勢(shì)。節(jié)點(diǎn)間通過量子信道傳輸糾纏量態(tài)，形成對(duì)應(yīng)的量子密鑰；通過經(jīng)典信道傳輸量子密鑰加密后的密文信息（圖2）。當(dāng)發(fā)現(xiàn)存在竊密者時(shí)，密鑰會(huì)自動(dòng)坍塌報(bào)廢，即使竊密者竊取到了經(jīng)典信道的密文信息，也因無法得知糾纏量子對(duì)的量子態(tài)，從而無法獲得密鑰，交易節(jié)點(diǎn)將再次生成密鑰重新進(jìn)行通信，并查找竊密者直至信息安全傳輸。量子密鑰能夠?yàn)榱孔訁^(qū)塊鏈加密系統(tǒng)的去中心化網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供數(shù)據(jù)安全傳輸通道。

圖2 量子密鑰分發(fā)結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Schematic of quantum key distribution structure

1.2.2.2 量子共識(shí)機(jī)制

共識(shí)機(jī)制是通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的驗(yàn)證達(dá)成一致協(xié)議，從而對(duì)數(shù)據(jù)達(dá)成共識(shí)，擁有相同的分布式賬本，保障了數(shù)據(jù)安全由所有參與者共同監(jiān)管和維護(hù)，能夠有效防止信息篡改。在量子區(qū)塊鏈中，解決傳統(tǒng)的拜占庭問題可簡化為解決生成和安全分發(fā)數(shù)字列表的問題，而生成和安全分發(fā)正是以量子態(tài)為載體的量子密碼學(xué)具有的核心優(yōu)勢(shì)，利用量子密碼學(xué)改進(jìn)的共識(shí)機(jī)制，能夠借助量子密鑰分發(fā)技術(shù)驗(yàn)證信息傳輸?shù)恼鎸?shí)性，從而進(jìn)一步縮短共識(shí)所需要的時(shí)間和避免因算力帶來的破解風(fēng)險(xiǎn)。

1.2.3 量子區(qū)塊鏈的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)區(qū)塊鏈通過哈希加密形成的哈希值連接各個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)塊并按照時(shí)間排序，是空間層面的存儲(chǔ)。在量子區(qū)塊鏈中，量子糾纏優(yōu)于哈希加密，利用量子糾纏能夠?qū)崿F(xiàn)交易信息空間和時(shí)間上的跨越并存，每個(gè)區(qū)塊數(shù)據(jù)被編碼成彼此纏繞的光子，第二個(gè)區(qū)塊與第一個(gè)區(qū)塊糾纏在一起，按照時(shí)間順序連接起來。有人想篡改過去的記錄是不可能的，因?yàn)檫^去的光子已經(jīng)不存在，數(shù)據(jù)仍然可以被讀取和分析是由于現(xiàn)在的光子與過去的光子糾纏著，過去的光子只是一個(gè)副本，不能被篡改或觸摸，使得時(shí)間糾纏比空間糾纏更具有安全性。

另外，基于量子密鑰分發(fā)技術(shù)和量子共識(shí)能夠更好地改善非對(duì)稱加密和公私鑰系統(tǒng)的身份驗(yàn)證。傳統(tǒng)區(qū)塊鏈的非對(duì)稱加密驗(yàn)證即用戶A使用自己的私鑰和用戶B的公鑰對(duì)信息進(jìn)行加密，向用戶B發(fā)送數(shù)據(jù)信息，用戶B收到信息后通過自己的私鑰和用戶A的公鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解密獲取加密信息。但該加密原理極易被量子計(jì)算破解。量子區(qū)塊鏈則利用量子密鑰分發(fā)進(jìn)行信息加密/解密的密鑰分發(fā)，利用量子隱形傳態(tài)進(jìn)行對(duì)稱密鑰的共享，實(shí)現(xiàn)身份驗(yàn)證與數(shù)據(jù)傳輸。用戶A和B通過糾纏量子對(duì)形成相互參照效應(yīng)，用戶A隨機(jī)選擇糾纏量子對(duì)，并將量子代號(hào)傳送給用戶B，通過量子解調(diào)算法形成密鑰經(jīng)量子信道進(jìn)行傳輸，再將加密信息通過經(jīng)典信道傳輸。用戶B根據(jù)對(duì)應(yīng)的糾纏量子形成密鑰對(duì)用戶A的加密信息進(jìn)行解密，形成多節(jié)點(diǎn)之間的高度可信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

2 基于量子區(qū)塊鏈的食品冷鏈追溯系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)建思路

食品冷鏈追溯主要是針對(duì)冷鏈?zhǔn)称返纳a(chǎn)、貯存、運(yùn)輸、銷售全過程，將食品的生產(chǎn)信息、加工信息、物流信息、銷售信息以及所處環(huán)境溫度信息進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，建立信息追溯和信息共享機(jī)制，實(shí)現(xiàn)冷鏈?zhǔn)称纷粉櫯c溯源功能的一體化發(fā)展。

食品冷鏈多主體網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展迫切需要一個(gè)功能強(qiáng)大、高度安全的追溯系統(tǒng)，保障信息在上傳、存儲(chǔ)、交互、查詢的過程中不被篡改和破壞?；诹孔訁^(qū)塊鏈構(gòu)建的食品冷鏈追溯系統(tǒng)能夠聯(lián)動(dòng)上下游的所有參與主體，通過量子通信技術(shù)嵌入?yún)^(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)打造追溯平臺(tái)，保證信息傳遞過程身份驗(yàn)證的真實(shí)性，并充分發(fā)揮區(qū)塊鏈分布式、智能合約等優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)冷鏈各環(huán)節(jié)的信息安全和無縫銜接，在避免量子計(jì)算破壞區(qū)塊鏈架構(gòu)的同時(shí)，更好地將量子區(qū)塊鏈技術(shù)賦能冷鏈追溯系統(tǒng)。

基于量子區(qū)塊鏈的食品冷鏈追溯系統(tǒng)可滿足冷鏈相關(guān)企業(yè)、政府及第三方檢測(cè)部門、消費(fèi)者、其他企業(yè)（如金融機(jī)構(gòu)、科研機(jī)構(gòu)、咨詢公司）等主體的應(yīng)用需求。1）從冷鏈相關(guān)企業(yè)角度考量，可以打破企業(yè)間的信息孤島，實(shí)時(shí)監(jiān)控食品狀態(tài)，通過量子信道和經(jīng)典信道進(jìn)行信息傳遞，雙重加密保障了信息的真實(shí)共享，實(shí)現(xiàn)冷庫倉儲(chǔ)、運(yùn)輸調(diào)度、配送方案的快速?zèng)Q策，提高冷鏈效率。2）從政府及檢測(cè)機(jī)構(gòu)角度考量，量子區(qū)塊鏈有更高的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，解決了傳統(tǒng)區(qū)塊鏈存在的交易延遲問題，以節(jié)點(diǎn)的形式上鏈能夠?qū)崿F(xiàn)冷鏈?zhǔn)称房缙髽I(yè)、跨冷鏈、跨區(qū)域的全程監(jiān)管，智能合約編寫能夠?qū)Τ霈F(xiàn)問題的食品做出快速反應(yīng)，實(shí)施精準(zhǔn)召回和問責(zé)處理，并且能通過信息上鏈實(shí)現(xiàn)政策、標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一發(fā)布。3）從消費(fèi)者角度考量，能夠清楚了解冷鏈?zhǔn)称飞a(chǎn)、預(yù)冷、倉儲(chǔ)、運(yùn)輸、配送全過程信息，從而增強(qiáng)消費(fèi)信心和對(duì)冷鏈?zhǔn)称返恼J(rèn)可度。4）從其他企業(yè)角度考量，經(jīng)過身份驗(yàn)證和權(quán)限分配后，與冷鏈企業(yè)建立合作，通過對(duì)冷鏈?zhǔn)称飞a(chǎn)流通中的數(shù)據(jù)獲取，可以對(duì)企業(yè)及行業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)用分析。

2.2 總體框架設(shè)計(jì)

基于量子區(qū)塊鏈的食品冷鏈追溯系統(tǒng)框架包含冷鏈信息采集業(yè)務(wù)層、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理層以及系統(tǒng)應(yīng)用層，總體框架如圖3所示。

圖3 基于量子區(qū)塊鏈的食品冷鏈追溯系統(tǒng)架構(gòu)Fig. 3 Food cold chain traceability system architecture based on quantum blockchain

冷鏈?zhǔn)称飞a(chǎn)流通過程涉及多環(huán)節(jié)多主體，各節(jié)點(diǎn)都包含了大量數(shù)據(jù)。

冷鏈信息采集業(yè)務(wù)層主要是針對(duì)冷鏈?zhǔn)称吩谏a(chǎn)、預(yù)冷處理、冷鏈加工、冷鏈儲(chǔ)存、冷鏈運(yùn)輸和配送及冷鏈銷售等環(huán)節(jié)，利用各種有效的信息采集終端（全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）、溫濕度傳感器、無線射頻識(shí)別等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)）對(duì)關(guān)鍵信息進(jìn)行采集，然后上傳至網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理層，是追溯系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)來源。

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理層主要是對(duì)信息采集業(yè)務(wù)層中各節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)驗(yàn)證，經(jīng)全網(wǎng)廣播共識(shí)，達(dá)成一致上鏈意見，供系統(tǒng)應(yīng)用層更好地調(diào)用數(shù)據(jù)，該層是量子區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用的核心。食品冷鏈的各節(jié)點(diǎn)將采集到的詳細(xì)信息記錄在各自的本地核心數(shù)據(jù)庫中，通過對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行哈希運(yùn)算生成數(shù)據(jù)摘要，與身份編號(hào)（identity，ID）一同打包至區(qū)塊，其中ID與本地?cái)?shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)ID相同，形成映射，以便通過智能合約及時(shí)調(diào)用查詢?cè)敿?xì)信息。區(qū)塊上鏈過程充分運(yùn)用了量子密鑰分發(fā)技術(shù)，一方面，每一階段交易信息進(jìn)行全網(wǎng)廣播，即上鏈節(jié)點(diǎn)利用量子信道向全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送量子密鑰，利用經(jīng)典信道向全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送加密數(shù)據(jù)區(qū)塊，然后每個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)觀測(cè)到與上鏈節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的糾纏量子態(tài)，生成對(duì)應(yīng)的對(duì)稱加密密鑰，從而對(duì)加密區(qū)塊進(jìn)行解密，獲得交易信息。另一方面，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)獲取解密信息后，通過基于量子態(tài)的量子共識(shí)機(jī)制進(jìn)行身份驗(yàn)證，全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)通過量子態(tài)交互，再根據(jù)與本地核心數(shù)據(jù)庫中的副本和彼此檢查結(jié)果達(dá)成一致共識(shí)，最終完成數(shù)據(jù)區(qū)塊的上鏈。以量子態(tài)為載體的密碼學(xué)信息傳輸克服了運(yùn)用公私鑰密碼系統(tǒng)的傳統(tǒng)區(qū)塊鏈?zhǔn)艿搅孔铀惴ㄍ{的弊端，并可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是否被竊取。另外，量子區(qū)塊鏈由于計(jì)算速度加快，在追溯系統(tǒng)應(yīng)用中也可以更快速地追溯到問題環(huán)節(jié)，結(jié)合線上線下雙存儲(chǔ)模式，極大程度解決了傳統(tǒng)區(qū)塊鏈查詢高冗余數(shù)據(jù)低效率的問題，從而大大加快了冷鏈溯源信息獲取的速度。

系統(tǒng)應(yīng)用層對(duì)內(nèi)是信息采集業(yè)務(wù)層以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理層的綜合運(yùn)用展現(xiàn)，對(duì)外是面向食品冷鏈相關(guān)企業(yè)、政府監(jiān)管部門、消費(fèi)者及其他企業(yè)等用戶，為他們提供系統(tǒng)應(yīng)用接口。用戶在該層進(jìn)行身份注冊(cè)，獲取訪問系統(tǒng)平臺(tái)的權(quán)限，例如，政府監(jiān)管部門對(duì)食品冷鏈進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和政策發(fā)布，消費(fèi)者對(duì)食品進(jìn)行溯源查詢，食品冷鏈相關(guān)企業(yè)對(duì)各自的信息進(jìn)行管理和共享，其他企業(yè)通過數(shù)據(jù)申請(qǐng)?jiān)L問進(jìn)行行業(yè)單位數(shù)據(jù)應(yīng)用分析等。

3 基于量子區(qū)塊鏈的食品冷鏈追溯系統(tǒng)運(yùn)行體系

食品冷鏈追溯系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了冷鏈?zhǔn)称飞a(chǎn)流通過程中追蹤與溯源的集成化，其運(yùn)行體系主要由5 個(gè)應(yīng)用模塊構(gòu)成（圖4）：系統(tǒng)用戶權(quán)限管理、食品冷鏈信息管理、冷鏈?zhǔn)称焚|(zhì)量監(jiān)管、冷鏈?zhǔn)称纷匪莶樵儭?shù)據(jù)應(yīng)用分析。

圖4 基于量子區(qū)塊鏈的食品冷鏈追溯系統(tǒng)運(yùn)行體系構(gòu)成Fig. 4 Operating system composition of food cold chain traceability system based on quantum blockchain

3.1 系統(tǒng)用戶權(quán)限管理

系統(tǒng)用戶權(quán)限管理模塊通過底層量子區(qū)塊鏈提供的應(yīng)用層接口為所有使用食品冷鏈追溯的用戶提供注冊(cè)登記入口，用戶可以根據(jù)自身業(yè)務(wù)和在冷鏈?zhǔn)称犯鳝h(huán)節(jié)扮演的不同角色分配對(duì)應(yīng)的訪問權(quán)限，使用追溯系統(tǒng)不同的功能模塊。

3.2 食品冷鏈信息管理

食品冷鏈信息管理主要面對(duì)冷鏈?zhǔn)称飞a(chǎn)流通的相關(guān)企業(yè)，對(duì)食品冷鏈全過程追溯信息的采集上鏈，包括生產(chǎn)環(huán)節(jié)、加工環(huán)節(jié)、運(yùn)輸環(huán)節(jié)、銷售環(huán)節(jié)、倉儲(chǔ)、智能預(yù)警等。該模塊依靠量子區(qū)塊鏈技術(shù)對(duì)系統(tǒng)的信息進(jìn)行管理，是追溯系統(tǒng)的底層技術(shù)支撐，也是區(qū)別于傳統(tǒng)區(qū)塊鏈構(gòu)建冷鏈追溯系統(tǒng)的應(yīng)用。該模塊的數(shù)據(jù)信息分為訂單數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，訂單數(shù)據(jù)圍繞產(chǎn)品訂單，環(huán)境數(shù)據(jù)圍繞冷鏈?zhǔn)称飞a(chǎn)流通的環(huán)境狀況，系統(tǒng)信息流如圖5所示。

圖5 食品冷鏈信息管理模塊的信息流Fig. 5 Information flow of food cold chain information management module

與傳統(tǒng)區(qū)塊鏈追溯系統(tǒng)相比，量子區(qū)塊鏈追溯系統(tǒng)在數(shù)據(jù)信息的生成到上鏈階段有所不同：1）食品冷鏈各環(huán)節(jié)主體通過各種設(shè)備采集各自的訂單數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，將完整數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地?cái)?shù)據(jù)庫中，將原數(shù)據(jù)摘要、時(shí)間戳、數(shù)據(jù)庫查找ID記錄在區(qū)塊中，數(shù)據(jù)區(qū)塊信息不再簡單地由哈希值連在一起，而是轉(zhuǎn)換成過去現(xiàn)在彼此糾纏的量子，第二個(gè)區(qū)塊與第一個(gè)區(qū)塊相結(jié)合，按時(shí)間順序存儲(chǔ)；2）數(shù)據(jù)區(qū)塊進(jìn)入量子區(qū)塊鏈共識(shí)過程，通過量子密鑰分發(fā)傳遞記錄網(wǎng)絡(luò)中的交易信息，利用糾纏量子態(tài)對(duì)照效應(yīng)形成量子簽名以驗(yàn)證交互身份，達(dá)成共識(shí)后將區(qū)塊添加上鏈，而不是利用傳統(tǒng)的非對(duì)稱加密和工作量證明進(jìn)行驗(yàn)證和共識(shí)，冷鏈節(jié)點(diǎn)各企業(yè)在時(shí)間與空間雙維度形成關(guān)聯(lián)，進(jìn)一步保障信息交互的安全性和真實(shí)性。另外，冷鏈?zhǔn)称窂纳a(chǎn)加工到運(yùn)輸銷售全過程的數(shù)據(jù)上鏈后，在信息保護(hù)共享方面也優(yōu)于傳統(tǒng)區(qū)塊鏈追溯，傳統(tǒng)區(qū)塊鏈信息通過哈希加密的復(fù)雜性保障數(shù)據(jù)安全，量子區(qū)塊鏈通過量子糾纏實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)是否存在竊取，在竊密者發(fā)起竊取時(shí)就警告全網(wǎng)。

除此之外，基于量子區(qū)塊鏈的冷鏈?zhǔn)称纷匪菹到y(tǒng)還保留了傳統(tǒng)區(qū)塊鏈分布式存儲(chǔ)和智能合約的優(yōu)勢(shì)，數(shù)據(jù)上鏈后形成量子區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)分布式存儲(chǔ)，向節(jié)點(diǎn)返回區(qū)塊信息，通過智能合約調(diào)用鏈上鏈下的映射關(guān)系，解決了數(shù)據(jù)隱私與充分共享之間的長久矛盾，提高了系統(tǒng)應(yīng)用效率。利用智能合約技術(shù)還能根據(jù)每一環(huán)節(jié)實(shí)時(shí)記錄的環(huán)境、時(shí)間、位置數(shù)據(jù)自動(dòng)做出智能預(yù)警，如流通過程中某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)溫度不達(dá)標(biāo)或者置于常溫下時(shí)間過長等問題時(shí)會(huì)及時(shí)觸發(fā)腳本合約發(fā)出預(yù)警，相關(guān)企業(yè)能夠迅速找到問題所在，從而降低安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 冷鏈?zhǔn)称焚|(zhì)量監(jiān)管

冷鏈?zhǔn)称焚|(zhì)量監(jiān)管主要面向政府監(jiān)管部門及檢測(cè)機(jī)構(gòu)，其作為各聯(lián)盟鏈的成員之一，參與食品冷鏈追溯網(wǎng)的監(jiān)督維護(hù)。基于量子區(qū)塊鏈的高運(yùn)轉(zhuǎn)速度，可以提高冷鏈?zhǔn)称繁O(jiān)管的效率。如圖6所示，一方面，政府監(jiān)管部門將冷鏈?zhǔn)称废嚓P(guān)的政策法規(guī)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、環(huán)境控制標(biāo)準(zhǔn)等通過智能合約以數(shù)字腳本的形式寫入鏈中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)食品冷鏈各環(huán)節(jié)狀況，并且當(dāng)出現(xiàn)冷鏈?zhǔn)称焚|(zhì)量安全事故時(shí)，能夠快速查清問題源頭、食品流向，在最短的時(shí)間內(nèi)將問題食品召回；另一方面，檢測(cè)機(jī)構(gòu)可以通過線上線下結(jié)合的方式對(duì)企業(yè)食品進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，并且將檢測(cè)信息上鏈，通過量子雙信道對(duì)食品安全、企業(yè)經(jīng)營進(jìn)行認(rèn)證，防止數(shù)據(jù)篡改，起到激勵(lì)作用。除此之外，該模塊的另一個(gè)功能是當(dāng)消費(fèi)者在查詢追溯信息發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品存在問題時(shí)，可以直接通知到有關(guān)部門進(jìn)行查驗(yàn)。

圖6 政府智能合約監(jiān)管模塊示意圖Fig. 6 Schematic diagram of government regulation based on smart contract

3.4 冷鏈?zhǔn)称纷匪莶樵?/h3>

追溯查詢模塊是面向消費(fèi)者的，消費(fèi)者可以查詢食品冷鏈的全過程信息數(shù)據(jù)，通過將食品標(biāo)識(shí)碼輸入追溯系統(tǒng)，查找對(duì)應(yīng)的量子區(qū)塊鏈信息，經(jīng)智能合約根據(jù)對(duì)應(yīng)的ID調(diào)出各環(huán)節(jié)本地?cái)?shù)據(jù)庫中的對(duì)應(yīng)信息，最后通過完整信息鏈的形式呈現(xiàn)生產(chǎn)流通全過程，實(shí)現(xiàn)快速跨區(qū)域、跨業(yè)務(wù)主體的信息追溯查詢，從而滿足消費(fèi)者的知情權(quán)。如果發(fā)現(xiàn)食品與溯源信息不符或存在影響食品質(zhì)量安全的行為，可以聯(lián)系有關(guān)監(jiān)管部門進(jìn)行追蹤查驗(yàn)，從而維護(hù)消費(fèi)者權(quán)益，增強(qiáng)消費(fèi)信心。

3.5 數(shù)據(jù)應(yīng)用分析

基于量子區(qū)塊鏈的食品冷鏈追溯系統(tǒng)為企業(yè)提供了更加安全可信的交互環(huán)境，并且數(shù)據(jù)的集成化對(duì)于數(shù)據(jù)的應(yīng)用具有較高的價(jià)值，冷鏈生產(chǎn)流通之外的其他企業(yè)用戶，如金融機(jī)構(gòu)、科研機(jī)構(gòu)、咨詢公司等，可以通過系統(tǒng)平臺(tái)的認(rèn)證，借助量子區(qū)塊鏈加密信息傳輸，保證交互安全性，與冷鏈企業(yè)達(dá)成共識(shí)協(xié)議，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取分析，減少通過其他渠道建立溝通的成本。例如金融機(jī)構(gòu)可以通過該模塊建立企業(yè)金融資產(chǎn)評(píng)估參考體系，發(fā)布企業(yè)信用等級(jí)評(píng)估信息，也可降低金融機(jī)構(gòu)信息不對(duì)稱的風(fēng)險(xiǎn)，解決中小企業(yè)融資難的問題；科研機(jī)構(gòu)可以借助該平臺(tái)進(jìn)行科研分析，進(jìn)一步推動(dòng)產(chǎn)學(xué)研快速發(fā)展，通過該模塊數(shù)據(jù)應(yīng)用分析可以助力冷鏈追溯系統(tǒng)的完善優(yōu)化；咨詢公司也可以對(duì)行業(yè)現(xiàn)狀加以評(píng)估，做出合理科學(xué)的判斷。

4 結(jié) 語

未來量子通信技術(shù)和區(qū)塊鏈技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)和去信任化技術(shù)特質(zhì)上的融合將成為必然的發(fā)展趨勢(shì)，量子區(qū)塊鏈的研究應(yīng)用也將成為未來發(fā)展的熱點(diǎn)之一。2021年1月7日，中國科研團(tuán)隊(duì)已成功實(shí)現(xiàn)了跨越4 600 km的星地量子密鑰分發(fā)，能夠支撐多用戶之間的量子加密通信，形成了量子通信網(wǎng)雛形，進(jìn)一步加強(qiáng)了量子區(qū)塊鏈的部署。

本文將量子區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于食品冷鏈追溯系統(tǒng)的構(gòu)建和運(yùn)行中，量子區(qū)塊鏈技術(shù)將區(qū)塊信息編碼成一連串彼此纏繞的光子，結(jié)合量子密鑰分發(fā)的雙信道量子加密傳輸，代替?zhèn)鹘y(tǒng)非對(duì)稱加密，完成節(jié)點(diǎn)間的身份信任評(píng)估，借助去中心化的分布式賬本、量子共識(shí)機(jī)制、智能合約等技術(shù)，使得系統(tǒng)能夠抵御量子算法的破解風(fēng)險(xiǎn)，保證了冷鏈?zhǔn)称焚|(zhì)量追溯信息的真實(shí)性，進(jìn)一步提升了食品冷鏈追溯系統(tǒng)的安全性，增加參與節(jié)點(diǎn)間的信任。采用線上鏈路+線下數(shù)據(jù)庫雙存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)管理模式，借助量子區(qū)塊鏈的高速運(yùn)作以及智能合約加以調(diào)用連接，降低了冷鏈追溯對(duì)訂單數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)要求高而帶來的冗余存儲(chǔ)，提高了追溯系統(tǒng)的效率。本文可為當(dāng)前冷鏈?zhǔn)称纷匪菝媾R的困境提供新的思路和解決方案。