informИнформатикаInformatics1816-03012617-6963UIIP NASB10.37661/1816-0301-2026-23-2-94-106inform-1408Research ArticleЗАЩИТА ИНФОРМАЦИИ И НАДЕЖНОСТЬ СИСТЕМINFORMATION PROTECTION AND SYSTEM RELIABILITYКвантовый блокчейн с интеграцией квантовой запутанности и алгоритма консенсусаQuantum blockchain based on integration of quantum entanglement and consensus algorithmСидоренкоА. В.SidorenkoA. V.

Сидоренко Алевтина Васильевна, доктор технических наук, профессор

пр. Независимости, 4, Минск, 220030

Alevtina V. Sidorenko, Dr. Sci. (Eng.), Prof

av. Nezavisimosti, 4, Minsk, 220030

sidorenkoa@yandex.byПриходькоИ. А.PrikhodkoI. A.

Приходько Иван Андреевич, студент

пр. Независимости, 4, Минск, 220030

Ivan A. Prikhodko, Student

av. Nezavisimosti, 4, Minsk, 220030

prikhodko@bsu.byБелорусский государственный университетBelarusian State University20262806202623294106Copyright © Сидоренко А.В., Приходько И.А., 20262026Сидоренко А.В., Приходько И.А.Sidorenko A.V., Prikhodko I.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://inf.grid.by/jour/article/view/1408Цели

Цели. Целями работы являются разработка и программная реализация концептуальной модели квантово-защищенного блокчейна путем интеграции механизма квантового распределения ключей на основе протокола E91 в классическую архитектуру.

Методы

Методы. Рассмотрены вопросы уязвимости классических криптографических механизмов блокчейна к угрозам со стороны квантовых вычислений. Для создания устойчивой архитектуры предложено объединить свойства квантовой запутанности и классические криптографические методы. В качестве базы использован протокол квантового распределения ключей E91, основанный на квантовой запутанности и проверке неравенства Белла (CHSH-тест). Для связи блоков в цепочку введено новое поле E91 MAC, вычисляемое с помощью алгоритма HMAC от хеша предыдущего блока с использованием ключа, сгенерированного протоколом E91. В качестве механизма консенсуса выбран алгоритм DPoS (Delegated Proof of Stake).

Программная реализация включает симуляцию протокола E91 с использованием облачной платформы IBM Quantum и библиотеки Qiskit, а также развертывание одноранговой блокчейн-сети с CLI-интерфейсом на Python с помощью TCP-сокетов.

Результаты

Результаты. Разработана концептуальная модель и реализован прототип квантово-защищенного блокчейна. Создана функциональная одноранговая сеть с алгоритмом консенсуса DPoS и механизмом распределенного голосования. Успешно выполнена симуляция протокола E91, подтверждающая возможность генерации и верификации квантового ключа. Доказана принципиальная осуществимость интеграции квантового механизма аутентификации (E91 MAC) в процесс создания и валидации блоков.

Заключение

Заключение. Предложенная гибридная архитектура демонстрирует новый подход к безопасности блокчейна, основанный не только на вычислительной сложности, но и на фундаментальных законах квантовой механики. Интеграция протокола E91 и механизма DPoS обеспечивает потенциальную устойчивость к квантовым атакам и высокую энергоэффективность сети. Программный прототип подтверждает практическую реализуемость концепции для создания защищенных распределенных реестров нового поколения.

Objectives

Objectives. The aim of this work is to develop and implement a conceptual model of a quantum-secured blockchain by integrating a quantum key distribution mechanism based on the E91 protocol into a classical architecture.

Methods

Methods. The vulnerabilities of classical blockchain cryptographic mechanisms to threats posed by quantum computing are considered. To create a resilient architecture, it is proposed to combine the properties of quantum entanglement with classical cryptographic methods. The E91 quantum key distribution protocol, based on quantum entanglement and the Bell inequality test (CHSH test), is used as the foundation. A new field, E91 MAC, is introduced to link blocks in the chain, calculated using the HMAC algorithm from the hash of the previous block with a key generated by the E91 protocol. The Delegated Proof of Stake (DPoS) algorithm is chosen as the consensus mechanism. The software implementation includes simulating the E91 protocol using the IBM Quantum cloud platform and the Qiskit library, as well as deploying a peer-to-peer blockchain network with a CLI interface in Python using TCP sockets.

Results

Results. A conceptual model was developed and a prototype of a quantum-secured blockchain was implemented. A functional peer-to-peer network with the DPoS consensus algorithm and a distributed voting mechanism was created. The successful simulation of the E91 protocol confirmed the possibility of generating and verifying a quantum key. The fundamental feasibility of integrating a quantum authentication mechanism (E91 MAC) into the block creation and validation process was demonstrated.

Conclusion

Conclusion. The proposed hybrid architecture demonstrates a novel approach to blockchain security, based not only on computational complexity but also on the fundamental laws of quantum mechanics. The integration of the E91 protocol and the DPoS mechanism provides potential resilience to quantum attacks and high network energy efficiency. The software prototype confirms the practical feasibility of the concept for creating secure next-generation distributed ledgers.

информациязащитаквантовый блокчейнквантовая запутанностьраспределение ключейпротокол E91алгоритм DPoSконсенсусквантовая криптографиясредства разработки Qiskitinformationsecurityquantum blockchainquantum entanglementkey distributionE91 protocolDPoS algorithmconsensusquantum cryptographyQiskit development toolsReferencesЗвозникова, Г. А. Обзор алгоритмов технологии блокчейн / Г. А. Звозникова // Теория и практика современной науки. – 2020. – № 5 (59). – С. 187–190.Zvoznikova G. A. Survey of technology algorithms blockchain. Teorija i praktika sovremennoj nauki [The Theory and Practice of Modern Science], 2020, no. 5 (59), pp. 187–190 (In Russ.).Сидоренко, А. В. Алгоритм хеширования на основе SHA-3 с использованием хаотических отображений / А. В. Сидоренко, М. С. Шишко // Информатика. – 2020. − Т. 17, № 1. – С. 109–118. – https://doi.org/10.37661/1816-0301-2020-17-1-109-118.Sidorenko A. V., Shishko M. S. Hashing technique based on SHA-3 using chaotic maps. Informatics, 2020, vol. 17, no. 1, pp. 109–118 (In Russ.). http://doi.org/10.37661/1816-0301-2020-17-1-109-118.Quantum-secured blockchain / E. O. Kiktenko, N. O. Pozhar, M. N. Anufriev [et al.]. – 2018. – URL: https://arxiv.org/pdf/1705.09258 (date of access: 13.03.2026).Kiktenko E. O., N. O. Pozhar, M. N. Anufriev, A. S. Trushechkin, R. R. Yunusov, …, Fedorov A. K. Quantum-secured blockchain, 2018. Available at: https://arxiv.org/pdf/1705.09258 (accessed 13.03.2026).Belkhir, M. Quantum vs classic computing: a comparative analysis / M. Belkhir, H. Benkaouha, E. Benkhelifa // Proc. of Seventh Intern. Conf. on Fog and Mobile Edge Computing (FMEC), Paris, France, 12–15 Dec. 2022. – Paris, 2022. – P. 1–8. – https://doi.org/10.1109/FMEC57183.2022.10062753.Belkhir M., Benkaouha H., Benkhelifa E. Quantum vs classic computing: a comparative analysis. Proceedings of Seventh International Conference on Fog and Mobile Edge Computing (FMEC), Paris, France, 12–15 December 2022. Paris, 2022. https://doi.org/10.1109/FMEC57183.2022.10062753.Сидоренко, А. В. Квантовое распределение ключа в квантовой криптографии / А. В. Сидоренко, И. А. Приходько // Военная безопасность государства в современных условиях : тез. докл. Междунар. воен.-науч. конф. учреждения образования «Военная академия Республики Беларусь», Минск, 24–25 апр. 2024 г. – Мн. : Военная академия Республики Беларусь, 2024. – С. 535.Sidorenko A. V., Prihodko I. A. The quantum of distribution keys in quantum cryptography. Voennaja bezopasnost' gosudarstva v sovremennyh uslovijah: tezisy dokladov Mezhdunarodnoj voenno-nauchnoj konferencii uchrezhdenija obrazovanija «Voennaja akademija Respubliki Belarus'», Minsk, 24–25 aprelja 2024 g. [The Military of State Safety in Modern Conditions: Abstracts of Reports of International Military-sciensies Conference of "Military Academy of Belarus", Minsk, 24–25 April 2024]. Minsk, Voennaja akademija Respubliki Belarus', 2024, р. 535 (In Russ.).Nguyen, G. T. A survey about consensus algorithm used in Blockchain / G. T. Nguyen, K. Kim // Journal of Information Processing Systems. – 2018. – Vol. 14. – P. 101–128.Nguyen G. T., Kim K. A survey about consensus algorithm used in Blockchain. Journal of Information Processing Systems, 2018, vol. 14, рр. 101–128.The Physics of Quantum Information: Quantum Criptography, Quantum Teleportation, Quantum Computation / ed.: D. Bouwmeetster [et al.]. – Berlin : Springer, 2000. – 350 p.Bouwmeetster D., Ekert A., Zeilinger A. (eds.). The Physics of Quantum Information: Quantum Criptography, Quantum Teleportation, Quantum Computation. Berlin, Springer, 2000, 350 p.Artur, K. A quantum cryptography based on Bell’s theorem / K. Artur, A. Ekert // Physical Review. – 1991. – Vol. 67. – P. 661–663.Artur K., Ekert A. A quantum cryptography based on Bell’s theorem. Physical Review, 1991, vol. 67, рр. 661–663.Приходько, И. А. Компьютерная программа для квантового распределения ключей / И. А. Приходько // Материалы XIII Межвуз. науч.-техн. конф. курсантов и магистрантов факультета связи и автоматизированных систем управления, Минск, 22 мая 2024 г. – Мн. : Военная академия Республики Беларусь, 2024. – С. 22.Prihodko I. A. The computer program for quantum of distribution keys. Materialy XIII Mezhvuzovskoj nauchno-tehnicheskoj konferencii kursantov i magistrantov fakul'teta svjazi i avtomatizirovannyh sistem upravlenija, Minsk, 22 maja 2024 g. [The Materials of XIII Young Science-technical Conference of Military Students and Magistrants of Connection and Automatic System of Management Faculty, Minsk, 22 May 2024]. Minsk, Voennaja akademija Respubliki Belarus', 2024, р. 22 (In Russ.).Сидоренко, А. В. Квантовое распределение ключей и алгоритмы консенсуса при квантовом шифровании / А. В. Сидоренко, И. А. Приходько // Технические средства защиты информации : материалы XXIII Междунар. науч.-техн. конф., Минск, 8 июня 2025 г. – Мн. : БГУИР, 2025. – С. 289–292.Sidorenko A. V., Prihodko I. A. The quantum of distribution keys and algorithms of consensus for quantum encryption. Tehnicheskie sredstva zashhity informacii: materialy XXIII Mezhdunarodnoj nauchnotehnicheskoj konferencii, Minsk, 8 ijunja 2025 g. [The Technical Means of Information Defence: Materials of XXIII International Science-technical Conference, Minsk, 8 July 2025]. Minsk, Belorusskij gosudarstvennyj universitet informatiki i radiojelektroniki, 2025, р. 289–292 (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.