基于量子密碼的元宇宙虛擬數字資產安全保護研究

摘? 要：在元宇宙中，由數據構成的虛擬數字資產需要具備不可偽造性和可準確溯源性（即無法對數字資產進行復制，且每一筆資產都歸屬于唯一的用戶）。基于公鏈的NFT在一定程度上為數字資產賦予了不可分割的特性，但卻無法保證數字所有權歸屬的真實性，并不適用于元宇宙數字資產的建立。為實現數字資產的可確權性與后量子安全性，提出了基于量子門限密碼及量子隱形傳態的數字資產所有權管理方案，可以實現理論上的無條件安全。

關鍵詞：區塊鏈;量子門限密碼;元宇宙;數字資產;后量子安全

中圖分類號：TP309.7? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2022）04-0035-05

Research on Security Protection of Metaverse Virtual Digital Assets Based on Quantum Cryptography

CUI Yu

（School of Information， North China University of Technology， Beijing? 100144， China）

Abstract： In the metaverse， virtual digital assets composed of data need to be unforgeable and accurately traceable， that is， digital assets cannot be copied， and each asset belongs to a unique user. NFT based on public chain endows digital assets with indivisible characteristics to a certain extent， but it can not guarantee the authenticity of digital ownership， so it is not suitable for the establishment of metaverse digital assets. In order to realize the confirmatory right and post-quantum security of digital assets， a digital asset ownership management scheme based on quantum threshold cryptography and quantum teleportation is proposed， which can realize theoretical unconditional security.

Keywords： blockchain; quantum threshold cryptography; metaverse; digital asset; post-quantum security

0? 引? 言

元宇宙利用可流通的虛擬數字資產來組建價值系統。而區塊鏈可以為無差別的數據賦予特定的信息標識，將普通數據轉變為具有交換價值的數字資產，實現元宇宙經濟流通。雖然區塊鏈存儲的數據具有不可篡改、可溯源的特點，但是如何實現數字資產標簽的唯一性，消除虛擬數字資產的可復制性問題尚待解決。目前，具有不可替代性和稀缺性的NFT[1]（非同質化通證）被用作支撐跨宇宙機制的基層技術。NFT有利于確保數據的唯一性和真實性，但由于NFT是基于具有透明性的以太坊、FLOW、Near等公鏈實現的，用戶的隱私無法得到保障。同時，由于共識算法以工作量證明機制為核心，公鏈的交易執行效率和對應吞吐量具有較大的局限性[2]。其次，NFT雖然具備可溯源的特性，但是面臨著無法證明交易源頭是否真實可信的問題，即無法確認所追溯到的資產持有者是否為該項資產的真正所有者。

此外，量子計算技術的快速發展，使得應用于區塊鏈的經典密碼系統的安全性不斷下降[3]。Shor量子算法可以解決多項式時間內的整數分解問題，而Grover量子搜索算法被認為是一種通過加速哈希碰撞找到哈希函數值的原像的有效方法。隨著量子計算機量子位的不斷增加，攻破經典密碼的耗時越來越短，因此為了實現抗量子區塊鏈，很多研究集中于抗量子密碼的實現。美國國家標準與技術研究所（NIST）正在征集后量子算法，以盡快制定后量子安全密碼標準。在已經進入第三輪篩選的7種候選算法和8種候補算法中，基于格密碼[4]的方案占據了主要地位。目前的抗量子密碼算法主要是基于數學計算的復雜性，抵抗量子計算機的攻擊，但復雜的數學計算也造成了巨大的網絡資源開銷，這為適配區塊鏈架構增添了困難。而結合了量子物理理論與經典密碼方案的量子密碼技術同樣可以實現后量子安全。文獻[5]提出將量子密碼應用于區塊鏈將會提升區塊鏈的性能。為實現數字資產確權過程的后量子安全性，本文提出一種基于量子門限密碼的元宇宙資產管理方案，解決了傳統NFT的用戶身份認證問題。

1? 區塊鏈與元宇宙

區塊鏈是由分布式計算機網絡維護的去中心化分布式賬本[6]。這種新型應用模式結合了點對點網絡、公私鑰加密、共識機制、智能合約、數字簽名等多項技術。近年來，區塊鏈技術已成為物聯網、智慧城市、衛星間通信網絡等領域的經典研究課題。區塊鏈最大的貢獻是實現了去中心化。最初的互聯網服務幾乎全部采用“客戶端—服務端”模式，服務器由早期的互聯網公司掌握，而互聯網用戶則是通過他們的客戶端訪問并獲取這些服務。這種模式的缺點是如果某個服務器關機了，那么運行在這個服務器上的服務和應用就會完全終止。而且始終需要一個中央核心機制去處理系統內的信任問題。因此，業內學者適時提出創建不需要中心化機構運營、去中心化的分布式系統方案。然而，在沒有任何中央機構授權的情況下，很難在這種環境中建立信任。2008年，中本聰構建一種全新的分布式數據庫（也就是區塊鏈），并且提出一種利用加密技術管理所有權的名稱為“比特幣”的數字貨幣。2014年，結合了智能合約技術的以太坊被提出。智能合約為以太坊區塊鏈提供一種內置的、圖靈完備的編程語言Solidity，因此在鏈上執行智能合約最大限度地拓展了區塊鏈的可編程性，使區塊鏈從分布式數據庫升級為可編程的應用平臺。DFB3EBD8-6F55-4ECE-A4A0-E54C1671D906

根據開放程度的不同，區塊鏈可以分為公有鏈、聯盟鏈和私有鏈。在公有鏈中，各個節點可以自由加入或退出網絡，并參與鏈上數據的讀寫。而聯盟鏈和私有鏈則更加強調安全可控，只允許授權節點加入區塊鏈網絡，能夠在一定程度上兼顧數據的多方維護，避免隱私數據的泄露。相較于以PoW為共識算法的以太坊公有鏈，以Hyperledger Fabric[7]、FISCO BCOS[8]為代表的聯盟鏈具有執行效率高、延時低、輕量性的特點，更適用于元宇宙的底層架構。

元宇宙是云計算、虛擬現實、量子計算等多種技術的集合體，區塊鏈在元宇宙的經濟系統實現上發揮著不可或缺的作用。借助區塊鏈的去中心化特性實現元宇宙共治共創的核心思想;基于區塊鏈的共識機制、密碼學技術實現元宇宙的安全價值體系。在元宇宙的虛擬世界中，用戶需要通過工作、游戲等活動賺取虛擬資本獎勵，用來兌換現實中的財產。因此，實現安全價值體系對于元宇宙生態的構建至關重要。而區塊鏈的不可篡改性與可追溯性能夠確保數字資產的不可復制性，從而實現經濟體系的安全。目前，距離元宇宙真正的實現仍有一段距離，元宇宙底層經濟體系具體實現方面的研究仍相對較少。

2? 元宇宙數字資產管理方案

本文改進了文獻[9]提出的簽名算法，將其適配于聯盟鏈底層架構。當用戶希望自己的虛擬數字物品能夠成為元宇宙中可交換的數字資產時，需要通過路由節點和區塊鏈節點生成數字資產唯一的ID，并存儲在區塊鏈上。具體算法為：

（1）準備過程。在區塊鏈所有的節點中隨機選擇4個節點作為簽名節點，記作{SN1，SN2，SN3，SN4}，同時需要中繼路由節點RN的參與。假設用戶CN需要確權的資產由經典比特序列H={h1，h2，…hn}構成，根據經典序列生成量子比特序列：

（2）密鑰分發。{SN1，SN2，SN3，SN4}中的每一個區塊鏈節點都與RN通過量子密鑰分發技術[10]共享一個私鑰，記作。此外，區塊鏈節點共同生成三個相同的量子態，其中，，且;用戶生成同樣長度的確權私鑰，并與RN共享。每一個區塊鏈節點再與用戶共享n對Bell態。節點存儲的量子態記作，而用戶持有的量子態記作。

（3）量子加密。{SN1，SN2，SN3，SN4}共同將加密為。量子加密算法為：

算法1：量子加密算法

輸入：區塊鏈節點的私鑰，量子態

輸出：密文量子態

BEGIN

f=1

WHILE? f≤4? ?DO

k=1

WHILE? k≤i? ?DO

IF（）

ELSE

k=k+1

End? WHILE

f=f+1

END WHILE

RETURN

END

獲得后，區塊鏈節點將序列發送給CN，并將發送給CN。

（4）量子簽名。SN4持有剩下的量子序列，而{SN1，SN2，SN3}中的每一個節點生成n個量子態。接著SN4將持有的3n個量子態進行CNOT門變換[9]，獲得n個糾纏態。

（5）量子測量。SNi對和的每個粒子進行Bell態測量（BSM）[11]，并獲得結果。具體算法為：

因此測量結果為。

（6）生成簽名。SNi基于文獻[9]的加密算法用對進行加密，獲得密文，并將其發送給用戶。收到密文后，用戶將通過量子隱形傳態[12]發送給RN。RN利用私鑰解密并獲得，同時基于文獻[13]提出的QOTP算法用私鑰對進行加密，最后附加用私鑰KCN結果二次加密，得到簽名并將簽名存儲在區塊鏈上。接著通過自動調用智能合約，對進行測量得到對應的經典序列ε，根據hash函數生成確權序列號M=hash（ε）。可以通過確權序列號在鏈上快速搜索對應的資產簽名。最后，RN將M和回執返回給用戶CN，資產確權成功。

（7）轉移資產。用戶CN需要將自己的財產所有權轉移給其他元宇宙參與者時，為保證CN真正失去該項資產的所有權，需要根據的私鑰序列重新生成簽名，而不是簡單地讓獲取KCN的副本。首先，RN需要要驗證CN的數字資產歸屬，確認需要轉移的資產為CN所有。CN將私鑰KCN和確權序列M發送給RN，RN基于M快速定位，利用KCN解密獲得和，并將發送給CN;若解密失敗，則終止驗證過程。CN收到信息后，對粒子按照表1中的粒子狀態進行幺正變換。隨后用一組基對用戶CN持有的進行測量。若測量結果為，則令標志值γij=0;若測量結果為，則令γij=1。隨后計算CN。若θj=0，CN對進行σ1變換;若θj=1，CN對進行σz變換，最后得到量子比特序列并通過量子隱形傳態發送給RN。RN對和進行比對，若，則資產歸屬認證成功，允許用新的私鑰對由相同比特序列構成的數字資產向區塊鏈節點發起確權請求，從而實現數字資產所有權的安全轉移。

3? 安全性分析

在解決元宇宙中數字資產所有權的方案中，根據量子不可克隆定理，存儲數字資產的量子態無法被復制，從根本上實現了資產的唯一性和不可偽造性。通過與的比對驗證過程，實現資產歸屬的安全認證。在量子門限簽名過程中，參與簽名的節點是隨機選取的，確保簽名過程的一致性和規范性。路由之間的數據交互主要依托量子隱形傳態來實現，而在量子隱形傳態中，攜帶交易信息的量子態根本不會進入信道，只是在接收方用另一個量子態將需要傳遞的信息復現，從而實現了理論上的無條件安全性。

4? 結? 論

為了實現元宇宙的安全價值體系，本文基于量子門限密碼設計了一種元宇宙虛擬數字資產安全保護方案，解決了經典NFT的弊端，能夠準確認證資產歸屬。同時，基于量子物理的應用，實現了管理方案理論上的后量子安全性。由于方案中涉及量子信息與經典信息的轉化，因此后續的研究工作將針對量子—經典網絡的高效構建問題展開。DFB3EBD8-6F55-4ECE-A4A0-E54C1671D906

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作者簡介：崔宇（2001.11—），男，漢族，遼寧沈陽人，本科在讀，主要研究方向：區塊鏈、量子密碼。DFB3EBD8-6F55-4ECE-A4A0-E54C1671D906