2020年新型冠状病毒肺炎疫情席卷全球，我国多地食品冷链中检测到新型冠状病毒，给相关企业食品安全及疫情防控工作带来了巨大的挑战。冷链食品对生产、运输、贮藏、销售全过程的时间和环境控制都有很高的要求，其中一个环节出现问题都可能会触发食品安全事件[1]。当前食品冷链逐渐呈现多渠道、多主体、网络化的趋势[2]，传统链式追溯系统中各企业间信息不对称、追溯断链、追溯环节中心化、信息真实性存疑、政府监管部门无法有效监管等问题依旧严重[3-5]，建设高水平食品冷链追溯系统可以有效地对食品安全问题进行事前防范和事后溯源跟踪，因此，如何通过开发高效的溯源技术不断提升追溯水平已成为重要的研究课题[6]。
目前区块链技术作为信息前沿技术之一，具有不可篡改、分布式、去中心化、可追溯等特点[7]，受到国家政府、企业机构以及各领域专家学者的高度重视。许多学者将区块链技术与物联网、射频识别、无线传感网络、可视化技术等结合[8-10]，促进了区块链在食品溯源系统建设方面的广泛应用[11-14]。在此基础上，李小玲[15]、张森[16]、孙艳舫[17]等将区块链应用于生鲜食品冷链物流信息追溯领域，对订单数据和冷链环境数据进行上链存储，构建了基于区块链技术的食品冷链物流信息追溯系统，从而提高了食品冷链物流行业的可信性和数据的安全性。在生产实践中，京东物流也已经开始进行区块链布局，通过打造冷链仓储网、冷链运输网、冷链配送网“三位一体”的综合冷链服务体系[18]，以适应其所构建的社会化冷链协同网络发展的要求。
区块链为解决传统食品冷链追溯系统中存在的问题提供了可能，但是近年来，随着量子科技的发展，学者们发现其强大的计算能力对区块链的安全也产生了一定的威胁[19-20]。一方面，量子计算中的Grover暴力搜索算法会对区块链源数据进行暴力搜索，使得对“挖矿”这类对算力有着高要求的区块链共识机制产生威胁[21-22]；另一方面，量子计算的Shor算法对于区块链普遍使用的加密技术构成威胁，能够破解公私钥的加密[23]。Kiktenko等[24]提出基于量子密钥技术进行身份验证的量子区块链，通过为区块链信息提供加密安全传输信道，构建出一种具有绝对安全的分布式区块链网络。张俊等[25]认为基于量子密钥分发与量子隐形传态的量子区块链具有较好的发展前景，可以抵御量子威胁。应用方面，郑涛等[26]结合量子技术与区块链方案提出了一种基于信任评估的量子区块链网络下的匿名选举方案；Sun Xin等[27]提出了一种基于量子区块链的抽签协议和拍卖协议；Zhang Jialei等[28]提出了一种基于区块链和量子签名的电子支付协议。
综上所述，区块链技术虽然具有很高的安全属性，但在信息传输、处理的过程中，数据仍可能被暴露或篡改，从而造成信任缺失。量子通信使通信双方可以在安全性未知的信道上建立具备信息理论安全的密钥分发通道，在一定程度上增强了系统安全性。因此本文提出基于量子区块链的食品冷链追溯系统构建思路，利用量子区块链中量子密码的无条件安全优势以及共识机制、智能合约等技术赋能食品冷链追溯系统，借助量子密钥通信技术完成节点间的身份验证评估，替代传统区块链非对称加密的数字签名，经全网广播验证，保障食品冷链网络中多节点的数据传输安全，增强追溯主体间信任，以解决当前冷链追溯存在的问题，为冷链食品追溯系统高效可持续发展提供参考和借鉴。
1 区块链与量子区块链
1.1 区块链的技术原理及其局限性
区块链是将数据存储在区块中，以密码学方式将各数据区块以时间顺序连接起来的分布式账本技术，是在去中心化的网络中建立一个不依赖第三方或核心机构的共享数据库[29]，所有用户节点都可以访问、监督和使用这个数据库。如图1所示，区块链中网络节点之间产生交易，将交易进行全网广播，接收节点对交易进行打包至新区块中，网络节点执行共识算法，并将验证结果进行全网广播，通过全网络节点的共识验证，将该数据区块加入区块链中[30]。
图1 区块链工作原理
Fig. 1 Working principle of blockchain
区块链中的每一个区块都封装了前一区块地址、当前区块的目标哈希值、Merkle根以及时间戳等信息，通过哈希值和时间戳把每个区块连接起来，保证了数据的不可篡改和可追溯性，另外通过共识机制和分布式存储保证了数据的去中心化和一致性[31]。
近几年区块链技术在诸多领域得到应用，但在推广应用的过程中也暴露出一些局限：1）系统性能效率逐渐下降。不同的区块链类型和平台在用户接入、数据容量上都有一定的局限性，随着区块链网络节点数量的增多，数据存储冗余多，个人对个人（peer to peer，P2P）网络传播、处理和验证事务所需的时间也不断延长，系统的性能效率也会逐渐下降。2）存在系统安全危机。基于PoW共识过程节点通过掌握全网超过51%的算力就有能力成功篡改和伪造区块链数据[32]。另外，由于区块链分布式系统的特性，其在交易的时候存在延时是不可避免的，一旦有害信息被写入链中会快速扩散且不易更改，这就给信息安全监管带来极大的挑战。此外，区块链也面临传统的“双花”“分叉攻击”以及量子计算的威胁[33-34]。3）用户隐私泄露的风险。当前的区块链通过公私钥进行身份验证，交易对象之间仍具有一定的匿名性，但随着身份验证技术的发展，对公私钥系统的破解、对数据传输用户身份的识别将成为可能，而且攻击者可以通过在网络层、交易层和应用层发动不同形式的攻击[35-36]，在更多的位置获取数据副本，达到窃取隐私、分析区块数据、提取用户画像等目的。
1.2 量子区块链
1.2.1 量子与量子区块链
1990年马克斯·普朗克在辐射对黑体影响的研究中引入了能量量子，标志着量子力学的诞生。量子论提出的基本单元是量子比特，具有叠加态和纠缠态，量子纠缠即两个粒子之间不论相距多远，不受空间影响、不需任何连接，只要一个粒子状态发生变化，就能立即使另一个粒子状态发生相应变化；叠加是量子系统同时处于多种状态的能力，它使得量子信息单元的状态可以处于多种可能性的叠加状态，从而导致量子信息处理在效率上相比于经典信息处理方式具有更高潜力[37-39]。
将量子信息技术与区块链技术相结合，形成量子区块链[40-41]，很大程度上能够避免量子攻击。传统区块链将数据按时间顺序存储在密码技术连接的区块中，量子区块链则是将区块信息编码成一连串彼此缠绕的光子[42]。这些区块通过时间上的纠缠按时间顺序连接起来，运用量子密钥分发技术代替非对称加密传输，以量子签名进行身份验证，形成纠缠量子态对照效应[43]，达成量子共识，保证任意节点之间数据传输的真实性，防止数据被篡改，结合分布式存储、智能合约等技术实现追溯系统所有节点共同参与、共同维护。
1.2.2 关键技术
1.2.2.1 量子密钥分发
量子密钥分发技术是以量子为载体实现用户两端的密钥共享，“不确定性原理”“海森堡测不准原理”“量子不可克隆定律”等量子力学基本定律使其具有无条件安全的优势[44-46]。节点间通过量子信道传输纠缠量态，形成对应的量子密钥；通过经典信道传输量子密钥加密后的密文信息（图2）。当发现存在窃密者时，密钥会自动坍塌报废，即使窃密者窃取到了经典信道的密文信息，也因无法得知纠缠量子对的量子态，从而无法获得密钥，交易节点将再次生成密钥重新进行通信，并查找窃密者直至信息安全传输[47]。量子密钥能够为量子区块链加密系统的去中心化网络节点提供数据安全传输通道。
图2 量子密钥分发结构图
Fig. 2 Schematic of quantum key distribution structure
1.2.2.2 量子共识机制
共识机制是通过网络节点之间的验证达成一致协议，从而对数据达成共识，拥有相同的分布式账本[48]，保障了数据安全由所有参与者共同监管和维护，能够有效防止信息篡改。在量子区块链中，解决传统的拜占庭问题可简化为解决生成和安全分发数字列表的问题，而生成和安全分发正是以量子态为载体的量子密码学具有的核心优势[26]，利用量子密码学改进的共识机制，能够借助量子密钥分发技术验证信息传输的真实性，从而进一步缩短共识所需要的时间和避免因算力带来的破解风险。
1.2.3 量子区块链的优势
传统区块链通过哈希加密形成的哈希值连接各个数据区块并按照时间排序，是空间层面的存储。在量子区块链中，量子纠缠优于哈希加密，利用量子纠缠能够实现交易信息空间和时间上的跨越并存，每个区块数据被编码成彼此缠绕的光子，第二个区块与第一个区块纠缠在一起，按照时间顺序连接起来。有人想篡改过去的记录是不可能的，因为过去的光子已经不存在，数据仍然可以被读取和分析是由于现在的光子与过去的光子纠缠着，过去的光子只是一个副本，不能被篡改或触摸，使得时间纠缠比空间纠缠更具有安全性。
另外，基于量子密钥分发技术和量子共识能够更好地改善非对称加密和公私钥系统的身份验证。传统区块链的非对称加密验证即用户A使用自己的私钥和用户B的公钥对信息进行加密，向用户B发送数据信息，用户B收到信息后通过自己的私钥和用户A的公钥对数据进行解密获取加密信息。但该加密原理极易被量子计算破解。量子区块链则利用量子密钥分发进行信息加密/解密的密钥分发，利用量子隐形传态进行对称密钥的共享[49-50]，实现身份验证与数据传输。用户A和B通过纠缠量子对形成相互参照效应，用户A随机选择纠缠量子对，并将量子代号传送给用户B，通过量子解调算法形成密钥经量子信道进行传输，再将加密信息通过经典信道传输。用户B根据对应的纠缠量子形成密钥对用户A的加密信息进行解密，形成多节点之间的高度可信网络环境。
2 基于量子区块链的食品冷链追溯系统总体框架设计
2.1 系统构建思路
食品冷链追溯主要是针对冷链食品的生产、贮存、运输、销售全过程，将食品的生产信息、加工信息、物流信息、销售信息以及所处环境温度信息进行实时跟踪，建立信息追溯和信息共享机制，实现冷链食品追踪与溯源功能的一体化发展。
食品冷链多主体网络化的发展迫切需要一个功能强大、高度安全的追溯系统，保障信息在上传、存储、交互、查询的过程中不被篡改和破坏。基于量子区块链构建的食品冷链追溯系统能够联动上下游的所有参与主体，通过量子通信技术嵌入区块链网络打造追溯平台，保证信息传递过程身份验证的真实性，并充分发挥区块链分布式、智能合约等优势实现冷链各环节的信息安全和无缝衔接，在避免量子计算破坏区块链架构的同时，更好地将量子区块链技术赋能冷链追溯系统。
基于量子区块链的食品冷链追溯系统可满足冷链相关企业、政府及第三方检测部门、消费者、其他企业（如金融机构、科研机构、咨询公司）等主体的应用需求。1）从冷链相关企业角度考量，可以打破企业间的信息孤岛，实时监控食品状态，通过量子信道和经典信道进行信息传递，双重加密保障了信息的真实共享，实现冷库仓储、运输调度、配送方案的快速决策，提高冷链效率。2）从政府及检测机构角度考量，量子区块链有更高的运转速度，解决了传统区块链存在的交易延迟问题，以节点的形式上链能够实现冷链食品跨企业、跨冷链、跨区域的全程监管，智能合约编写能够对出现问题的食品做出快速反应，实施精准召回和问责处理，并且能通过信息上链实现政策、标准的统一发布。3）从消费者角度考量，能够清楚了解冷链食品生产、预冷、仓储、运输、配送全过程信息，从而增强消费信心和对冷链食品的认可度。4）从其他企业角度考量，经过身份验证和权限分配后，与冷链企业建立合作，通过对冷链食品生产流通中的数据获取，可以对企业及行业数据进行应用分析。
2.2 总体框架设计
基于量子区块链的食品冷链追溯系统框架包含冷链信息采集业务层、网络数据管理层以及系统应用层，总体框架如图3所示。
图3 基于量子区块链的食品冷链追溯系统架构
Fig. 3 Food cold chain traceability system architecture based on quantum blockchain
冷链食品生产流通过程涉及多环节多主体，各节点都包含了大量数据。
冷链信息采集业务层主要是针对冷链食品在生产、预冷处理、冷链加工、冷链储存、冷链运输和配送及冷链销售等环节，利用各种有效的信息采集终端（全球定位系统（global positioning system，GPS）、温湿度传感器、无线射频识别等物联网技术）对关键信息进行采集，然后上传至网络数据管理层，是追溯系统的主要数据来源。
网络数据管理层主要是对信息采集业务层中各节点采集到的数据进行存储验证，经全网广播共识，达成一致上链意见，供系统应用层更好地调用数据，该层是量子区块链技术应用的核心。食品冷链的各节点将采集到的详细信息记录在各自的本地核心数据库中，通过对数据信息进行哈希运算生成数据摘要，与身份编号（identity，ID）一同打包至区块，其中ID与本地数据库中的数据ID相同，形成映射，以便通过智能合约及时调用查询详细信息。区块上链过程充分运用了量子密钥分发技术，一方面，每一阶段交易信息进行全网广播，即上链节点利用量子信道向全网节点发送量子密钥，利用经典信道向全网节点发送加密数据区块，然后每个节点会观测到与上链节点对应的纠缠量子态，生成对应的对称加密密钥，从而对加密区块进行解密，获得交易信息。另一方面，网络节点获取解密信息后，通过基于量子态的量子共识机制进行身份验证，全网节点通过量子态交互，再根据与本地核心数据库中的副本和彼此检查结果达成一致共识，最终完成数据区块的上链。以量子态为载体的密码学信息传输克服了运用公私钥密码系统的传统区块链受到量子算法威胁的弊端，并可实时监测数据是否被窃取。另外，量子区块链由于计算速度加快，在追溯系统应用中也可以更快速地追溯到问题环节，结合线上线下双存储模式，极大程度解决了传统区块链查询高冗余数据低效率的问题，从而大大加快了冷链溯源信息获取的速度。
系统应用层对内是信息采集业务层以及网络数据管理层的综合运用展现，对外是面向食品冷链相关企业、政府监管部门、消费者及其他企业等用户，为他们提供系统应用接口。用户在该层进行身份注册，获取访问系统平台的权限，例如，政府监管部门对食品冷链进行实时监控和政策发布，消费者对食品进行溯源查询，食品冷链相关企业对各自的信息进行管理和共享，其他企业通过数据申请访问进行行业单位数据应用分析等。
3 基于量子区块链的食品冷链追溯系统运行体系
食品冷链追溯系统实现了冷链食品生产流通过程中追踪与溯源的集成化，其运行体系主要由5 个应用模块构成（图4）：系统用户权限管理、食品冷链信息管理、冷链食品质量监管、冷链食品追溯查询、数据应用分析。
图4 基于量子区块链的食品冷链追溯系统运行体系构成
Fig. 4 Operating system composition of food cold chain traceability system based on quantum blockchain
3.1 系统用户权限管理
系统用户权限管理模块通过底层量子区块链提供的应用层接口为所有使用食品冷链追溯的用户提供注册登记入口，用户可以根据自身业务和在冷链食品各环节扮演的不同角色分配对应的访问权限，使用追溯系统不同的功能模块。
3.2 食品冷链信息管理
食品冷链信息管理主要面对冷链食品生产流通的相关企业，对食品冷链全过程追溯信息的采集上链，包括生产环节、加工环节、运输环节、销售环节、仓储、智能预警等。该模块依靠量子区块链技术对系统的信息进行管理，是追溯系统的底层技术支撑，也是区别于传统区块链构建冷链追溯系统的应用。该模块的数据信息分为订单数据和环境数据，订单数据围绕产品订单，环境数据围绕冷链食品生产流通的环境状况，系统信息流如图5所示。
图5 食品冷链信息管理模块的信息流
Fig. 5 Information flow of food cold chain information management module
与传统区块链追溯系统相比，量子区块链追溯系统在数据信息的生成到上链阶段有所不同：1）食品冷链各环节主体通过各种设备采集各自的订单数据和环境数据，将完整数据存储在本地数据库中，将原数据摘要、时间戳、数据库查找ID记录在区块中，数据区块信息不再简单地由哈希值连在一起，而是转换成过去现在彼此纠缠的量子，第二个区块与第一个区块相结合，按时间顺序存储；2）数据区块进入量子区块链共识过程，通过量子密钥分发传递记录网络中的交易信息，利用纠缠量子态对照效应形成量子签名以验证交互身份，达成共识后将区块添加上链，而不是利用传统的非对称加密和工作量证明进行验证和共识，冷链节点各企业在时间与空间双维度形成关联，进一步保障信息交互的安全性和真实性。另外，冷链食品从生产加工到运输销售全过程的数据上链后，在信息保护共享方面也优于传统区块链追溯，传统区块链信息通过哈希加密的复杂性保障数据安全，量子区块链通过量子纠缠实时动态检测是否存在窃取，在窃密者发起窃取时就警告全网。
除此之外，基于量子区块链的冷链食品追溯系统还保留了传统区块链分布式存储和智能合约的优势，数据上链后形成量子区块链网络分布式存储，向节点返回区块信息，通过智能合约调用链上链下的映射关系，解决了数据隐私与充分共享之间的长久矛盾，提高了系统应用效率。利用智能合约技术还能根据每一环节实时记录的环境、时间、位置数据自动做出智能预警，如流通过程中某一环节出现温度不达标或者置于常温下时间过长等问题时会及时触发脚本合约发出预警，相关企业能够迅速找到问题所在，从而降低安全风险。
3.3 冷链食品质量监管
冷链食品质量监管主要面向政府监管部门及检测机构，其作为各联盟链的成员之一，参与食品冷链追溯网的监督维护。基于量子区块链的高运转速度，可以提高冷链食品监管的效率。如图6所示，一方面，政府监管部门将冷链食品相关的政策法规、技术标准、环境控制标准等通过智能合约以数字脚本的形式写入链中，实时监测食品冷链各环节状况，并且当出现冷链食品质量安全事故时，能够快速查清问题源头、食品流向，在最短的时间内将问题食品召回；另一方面，检测机构可以通过线上线下结合的方式对企业食品进行质量检测，并且将检测信息上链，通过量子双信道对食品安全、企业经营进行认证，防止数据篡改，起到激励作用。除此之外，该模块的另一个功能是当消费者在查询追溯信息发现产品存在问题时，可以直接通知到有关部门进行查验。
图6 政府智能合约监管模块示意图
Fig. 6 Schematic diagram of government regulation based on smart contract
3.4 冷链食品追溯查询
追溯查询模块是面向消费者的，消费者可以查询食品冷链的全过程信息数据，通过将食品标识码输入追溯系统，查找对应的量子区块链信息，经智能合约根据对应的ID调出各环节本地数据库中的对应信息，最后通过完整信息链的形式呈现生产流通全过程，实现快速跨区域、跨业务主体的信息追溯查询，从而满足消费者的知情权。如果发现食品与溯源信息不符或存在影响食品质量安全的行为，可以联系有关监管部门进行追踪查验，从而维护消费者权益，增强消费信心。
3.5 数据应用分析
基于量子区块链的食品冷链追溯系统为企业提供了更加安全可信的交互环境，并且数据的集成化对于数据的应用具有较高的价值，冷链生产流通之外的其他企业用户，如金融机构、科研机构、咨询公司等，可以通过系统平台的认证，借助量子区块链加密信息传输，保证交互安全性，与冷链企业达成共识协议，对数据进行获取分析，减少通过其他渠道建立沟通的成本。例如金融机构可以通过该模块建立企业金融资产评估参考体系，发布企业信用等级评估信息，也可降低金融机构信息不对称的风险，解决中小企业融资难的问题；科研机构可以借助该平台进行科研分析，进一步推动产学研快速发展，通过该模块数据应用分析可以助力冷链追溯系统的完善优化；咨询公司也可以对行业现状加以评估，做出合理科学的判断。
4 结 语
未来量子通信技术和区块链技术在网络化结构和去信任化技术特质上的融合将成为必然的发展趋势，量子区块链的研究应用也将成为未来发展的热点之一。2021年1月7日，中国科研团队已成功实现了跨越4 600 km的星地量子密钥分发，能够支撑多用户之间的量子加密通信，形成了量子通信网雏形，进一步加强了量子区块链的部署。
本文将量子区块链技术应用于食品冷链追溯系统的构建和运行中，量子区块链技术将区块信息编码成一连串彼此缠绕的光子，结合量子密钥分发的双信道量子加密传输，代替传统非对称加密，完成节点间的身份信任评估，借助去中心化的分布式账本、量子共识机制、智能合约等技术，使得系统能够抵御量子算法的破解风险，保证了冷链食品质量追溯信息的真实性，进一步提升了食品冷链追溯系统的安全性，增加参与节点间的信任。采用线上链路+线下数据库双存储的数据管理模式，借助量子区块链的高速运作以及智能合约加以调用连接，降低了冷链追溯对订单数据和环境数据要求高而带来的冗余存储，提高了追溯系统的效率。本文可为当前冷链食品追溯面临的困境提供新的思路和解决方案。
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