SCIS量子信息专题 | 高容错、可扩展的量子拜占庭共识协议

发布时间：2026-08-21来源：中国科学杂志社

#量子拜占庭协议、#量子区块链、#半去中心化、#高容错、#多项式通信复杂度、#区块链不可能三角

研究团队

翁晨洵（Chen-Xun Weng）、李明阳（Ming-Yang Li）、李仕根（Shi-Gen Li）、孙晓冉（Xiao-Ran Sun）、陈增兵（Zeng-Bing Chen）：南京大学物理学院

尹华磊（Hua-Lei Yin）：中国人民大学物理学院

朱梦雅（Mengya Zhu）：矩阵时光数字科技有限公司

引用本文

Weng C-X, Li M-Y, Li S-G, et al. Scalable and highly fault-tolerant circular quantum Byzantine agreement. Sci China Inf Sci, 2026, 69(8): 180502, https://doi.org/10.1007/s11432-026-4996-4

研究意义

区块链、分布式数据库以及未来的去中心化数字基础设施，都依赖一种关键能力：即使部分节点出现故障或恶意行为，整个网络仍能够达成一致决策。这一问题被称为“拜占庭共识问题”，其对应的容错共识协议是构建可信分布式系统的核心技术。现有区块链系统主要采用经典密码学技术来保证安全性。然而，随着量子计算的发展，许多经典密码体制面临潜在威胁。同时，经典拜占庭共识协议在理论上受到严格的容错极限的限制，最多只能容忍三分之一的恶意节点。

量子拜占庭共识利用量子力学原理，可以实现信息论安全，并突破经典协议的容错极限，因此被认为是未来量子区块链的重要基础。然而，目前已有的量子拜占庭共识方案大多局限于少量参与者，多方量子共识协议需要指数级通信复杂度或者制备并操作复杂的多粒子纠缠态，难以扩展到大规模量子网络。随着量子通信网络和量子互联网的快速发展，一个重要问题随之出现：能否构建一种真正适用于大规模量子网络和未来量子区块链的共识协议？

本文工作

针对这一挑战，研究团队提出了一种基于量子数字签名的可扩展、高容错环形量子拜占庭共识协议，为未来大规模量子区块链网络提供了一种切实可行的解决方案。

与以往完全去中心化的量子拜占庭共识协议不同，本文采用了一种半去中心化（Semi-Decentralized）架构。具体而言，协议引入认证中心（CA）辅助完成量子数字签名的生成和验证，但CA不参与共识决策过程，也不影响最终共识结果。与依赖多粒子纠缠态的传统方案不同，该协议基于量子数字签名，仅需弱相干光源即可实现，更符合当前量子通信系统的实验条件。同时，该方案显著简化了网络结构，可直接适配现有星型量子网络。借助环形信息收集机制以及量子数字签名所具备的不可伪造性与不可抵赖性，该协议首次实现了多项式级通信复杂度，并突破了经典拜占庭容错的1/3上限。

图1 环形量子拜占庭共识协议图

本文的主要创新点如下：

（1）显著提升可扩展性：现有多方量子拜占庭协议的通信复杂度通常随节点数量呈指数增长，难以扩展至大规模网络。本文提出的环形消息收集机制将通信复杂度降低至O(N2)，首次实现从指数级到多项式级复杂度的突破，为大规模量子共识网络提供了可扩展框架。

（2）适配现有量子网络架构：传统多方量子共识通常需要全连接网络，对于 N 个参与者需建立 N(N−1)/2 条量子信道。而本文方案仅需 N 条量子信道即可运行，大幅降低网络部署难度，更契合当前星型量子网络架构与工程实现条件。

（3）提升容错能力：经典拜占庭协议最多只能容忍三分之一的恶意节点，而本协议仅需满足 N≥f+2 即可完成共识，其中 N 为总节点数，f 为恶意节点数。

图2 该工作与其他多方量子拜占庭共识协议的通信复杂度比较图

实验结果

为了评估协议在实际量子网络中的性能，研究团队基于卫星-地面星型量子通信网络进行了大规模数值模拟。研究分别采用两类主流量子密钥生成技术：离散调制连续变量量子密钥生成协议和BB84量子密钥生成协议。

在不同卫星高度、参与节点数量以及消息规模等条件下，对协议的共识速率进行了系统分析。结果表明，在低轨卫星场景下，无论采用连续变量方案还是BB84方案，协议均能够保持较高的共识效率。其中，采用连续变量方案时，多方量子共识速率可达到每秒数百至数十万次量级；采用BB84方案时，即使考虑7个参与节点和100 Mb的大规模消息，共识速率仍可超过每秒千次。此外，该协议能够兼容不同类型的量子密钥生成技术，这意味着随着未来更高性能量子通信协议的发展，其共识性能还有进一步提升空间。

图3 量子拜占庭共识在星型星地量子通信网络中的部署模拟

这些模拟结果表明，所提出的环形量子拜占庭共识协议不仅具有优异的理论安全性和高容错能力，而且能够与现有卫星量子通信基础设施无缝兼容，为构建全球范围的大规模量子区块链网络提供了重要技术支撑。

长期以来，区块链领域一直面临“区块链不可能三角”问题，即安全性、可扩展性与去中心化程度难以同时兼顾，现有量子拜占庭共识协议同样受到这一基本约束的限制。本文的一个重要发现是，在部分对完全去中心化要求相对较弱的应用场景中，通过适度放松去中心化程度，可以显著提升量子拜占庭共识系统的安全性与可扩展性。基于这一思路，研究团队构建了一种具有信息论安全、高容错能力与良好可扩展性的环形量子拜占庭共识框架，在实现多项式通信复杂度与较高容错能力的同时，仅需线性数量的量子信道资源。

该工作表明，在不同应用需求约束下，安全性、可扩展性与去中心化程度之间进行合理权衡，可能是量子拜占庭共识协议设计中一条更具现实意义的发展路径。未来，该框架还可进一步扩展至多认证中心（multi-CA）架构，并与量子通信网络深度融合，为构建全球范围的量子区块链系统以及信息论安全的分布式数字服务基础设施奠定基础。

本文即将发表在SCIENCE CHINA Information Sciences 2026年69卷第8期量子信息专题(Special Topic: Quantum Information)上。

相关阅读

SCIS量子信息专题(2025)—特邀编辑：张卫平周正威苏晓龙许金时

龙桂鲁团队 | 双工量子通信系统链路优化研究

超导电路系统中确定性量子搜索算法的实现

上海交通大学黄鹏、曾贵华等 | 基于反向编码的高斯调制相干态量子密钥分发协议

山西大学李永民团队 | 基于真空涨落的高集成度宽带量子随机数发生器熵源

转载说明：本文系转载内容，版权归原作者及原出处所有。转载目的在于传递更多行业信息，文章观点仅代表原作者本人，与本平台立场无关。若涉及作品版权问题，请原作者或相关权利人及时与本平台联系，我们将在第一时间核实后移除相关内容。