Квантовый блокчейн с интеграцией квантовой запутанности и алгоритма консенсуса

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. 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. 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. 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.

1. Звозникова, Г. А. Обзор алгоритмов технологии блокчейн / Г. А. Звозникова // Теория и практика современной науки. – 2020. – № 5 (59). – С. 187–190.

2. 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.

3. 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).

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. The Physics of Quantum Information: Quantum Criptography, Quantum Teleportation, Quantum Computation / ed.: D. Bouwmeetster [et al.]. – Berlin : Springer, 2000. – 350 p.

8. Artur, K. A quantum cryptography based on Bell’s theorem / K. Artur, A. Ekert // Physical Review. – 1991. – Vol. 67. – P. 661–663.

9. 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.

10. 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.