摘要
在创建去中心化数字经济的驱动下，Web 3.0 已成为数字化转型的基石，它是在算力网络、分布式数据存储和区块链的基础上发展起来的。随着量子设备的快速实现，Web 3.0正在与量子云计算、量子互联网的部署并行发展。对此，量子计算首先颠覆了原有保护数据安全的密码体系，同时利用量子计算和通信的优势重塑现代密码学。 因此，在本文中，我们介绍了一个量子区块链驱动的 Web 3.0 框架，为去中心化数据传输和支付交易提供信息论安全。 首先，我们提出了量子区块链驱动的 Web 3.0 框架，在数据和交易信息的传输过程中具有面向未来的安全性。 接下来，我们将讨论在 Web 3.0 中实现量子区块链的潜在应用和挑战。 最后，我们描述了量子不可替代代币 (NFT) 的用例，并提出了一种基于量子深度学习的 NFT 交易最优拍卖，以最大限度地提高 Web 3.0 中充足流动性可实现的收入。 通过这种方式，所提出的框架可以为下一代去中心化数字社会实现经过验证的安全性和可持续性。
1.引言
凭借创作者经济和去中心化自治组织的显著特征，Web 3.0将提升用户体验、保障用户隐私和安全提升到了一个新的维度。Web 3.0的去中心化以区块链为基础，以计算力网络(CPN)和分布式数据存储为关键技术，承诺为数字化转型活动提供数据安全、透明和可问责性。区块链的这些优点是基于经典计算中的单向数学函数，如散列函数和公钥加密。不幸的是，由于这些单向函数的计算假设被量子计算打破，区块链的风险尤其大。通过量子比特的叠加和纠缠，量子计算可以提供足够的计算能力，在保密周期内破解现有的数字签名和哈希函数，例如具有2×1072\times10^7 量子位的量子计算机可以在8小时内破解RSA-2048。
虽然Web 3.0允许用户读取、写入和拥有他们的用户生成内容(UGC)，但一旦量子计算机的能力满足运行Shor算法和Grover算法的要求，经典的区块链就将停止。量子信息技术的发展为密码学打开了另一扇门。例如，量子密钥分发 (QKD) 协议将用于对称加密的密钥编码为量子状态，以便通过量子信道传输。 与一次一密技术一起，QKD 安全通信可以实现信息理论上安全的数据传输。 此外，量子区块链可以利用量子哈希函数和单向量子计算函数来开发量子投票和量子签名算法。 从而将经典区块链更新为具有更长数据加密和二十多年使用优势的量子区块链。
基于量子密码学技术，例如量子哈希函数和量子签名算法，量子区块链为量子驱动的 Web 3.0 提供了多种高级加密服务。 例如，量子去中心化数字身份 (DDID) 是量子驱动 Web 3.0 的基础，允许用户使用相应的量子数字签名访问去中心化金融 (Defi) 和去中心化应用程序 (dApps)。 此外，以量子超图状态为代表的量子不可替代代币（NFTs）旨在提供一种比经典识别机制更可靠、更便宜的数字资产识别机制。 最后，量子共识算法，例如由量子投票算法构建的量子委托权益证明，可以帮助在没有经过身份验证的第三方的情况下在多个量子参与者之间建立信任。
图1:量子区块链相关研究活动的说明。
除了量子密码学提供的经过验证的安全性之外，区块链中的激励机制还应该经过精心设计，以确保矿工和 NFT 购买者的积极参与，以实现 Web 3.0 的可持续性。 特别是，充足的流动性依赖于 Web 3.0 的 NFT 交易市场可实现的收入。 然而，在确保 NFT 购买者的个体理性（IR）和主导策略激励相容性（DSIC）的同时，实现 NFT 交易市场收益最大化具有挑战性。 IR 表示所有买家都获得非负激励，而 DSIC 表示没有买家可以通过提交不真实的投标来获得更高的效用。 在文献中，几个基于深度学习 (DL) 的最优拍卖验证了在区块链中激励矿工的可行性。 因此，在本文中，我们提出了一种基于量子神经网络的基于量子深度学习（QDL）的最优拍卖，以实现 NFT 交易中的最优拍卖。 实验结果证明了所提出的基于 QDL 的最优拍卖的有效性。
本文的主要贡献总结如下：
（1）我们提出了一种新颖的量子区块链框架来驱动具有信息理论安全性的 Web 3.0。 在该框架中，量子密码学被用来提供加密和保护用户的分散数据的潜力，这些数据比保密期更长。
（2）基于框架中基于量子区块链的服务，我们讨论了数字化转型的潜在应用和相应的挑战。 此外，我们确定了该框架在促进这些应用程序的创建、管理和使用方面的优势。
（3）为了在框架内保持足够的流动性，我们提出了一种基于量子机器学习的最优激励机制，以在保证买家的 IR 和 DSIC 的同时，最大化 NFT 交易市场可实现的收益。 这样，激励机制可以为数字社会提供长期的可持续性和经过验证的安全性。
在文献中，提出了几种量子安全的区块链解决方案，其中主要的解决方案如图2所示。现有的量子区块链主要有三种类型。第一种使用后量子加密算法来防止来自量子计算机的攻击。 其次，量子网络具有绝对的安全属性，可用于保证运行在经典计算机上的量子区块链在数据传输过程中经过验证的安全性。 最后，运行在量子计算机上的量子区块链通过使用先进的量子计算技术实现量子签名和量子哈希函数，确保区块链在量子计算中的安全运行。
图2:量子区块链驱动的Web 3.0框架
2.量子区块链驱动的web 3.0框架
为了支持量子时代去中心化的数字社会，量子区块链驱动的Web3.0框架由使能基础设施、量子密码协议和基于量子区块链的服务组成。
A.启用Web 3.0的基础设施
在Web 3.0中，用户可以基于Web 3.0的关键基础设施，包括CPN、分发数据存储、区块链，完全控制自己的数字身份和数字资产。无处不在的网络连接使不同地理位置的计算和存储资源合并到一个公共CPN中，以支持连接到区块链以实现计算安全的Web 3.0应用程序。通过合并来自CPN中的终端设备、边缘服务器和云(包括经典和量子云计算)的计算资源，Web 3.0应用程序可用于记录保存、所有权证明、调度和去中心化数字金融和市场的交易。分布式存储使去中心化应用能够将大量数据和数字资产存储在分布式存储节点中，同时记录用于数据识别的数据检索链接。最后，基于区块链开发的dapp作为数字身份和数字资产的分布式账本，为Web 3.0玩家提供统一访问。
B.用于Web 3.0的量子加密协议
在Web 3.0中，采用了身份认证、共识机制、区块验证、区块传播等多种加密协议来保证用户的安全和隐私。
（1）量子身份认证：量子身份认证（QIA）使用量子密码协议来验证区块链参与者的身份，防止对手冒充区块链参与者。为了在量子区块链中实现信息理论安全的认证，QIA协议可以使用基于共享经典密钥和基于共享纠缠态的两种认证方法。在共享经典密钥的QIA协议中，通信双方事先共享一条消息以表明其身份。在共享纠缠的QIA协议中，通信双方共享一组纠缠粒子(即量子比特)，每对纠缠粒子各自拥有一个，并对该纠缠粒子对执行相应的操作来识别对方。该方法需要大量的时间来存储大量的纠缠粒子，且不易实现。为实现信息论安全，在QIA协议中用户事先共享的密钥或纠缠态应确保其在使用过程中不能被窃听者获取且一般不能重复使用。此外，身份认证应与QKD等协议同时进行，以防止窃听者跳过认证阶段直接共享密钥。
（2）量子共识机制：共识机制允许区块链网络中的节点在没有可信第三方的情况下达成一致。 在经典区块链中，广泛使用工作量证明（PoW）、权益证明（PoS）、委托权益证明（DPoS）和实用拜占庭容错（PBFT）等共识协议来保护 区块链的区块生成过程。 在量子区块链中，可以使用量子密码算法，例如量子投票，来开发量子共识机制。 在量子投票的基础上，使用量子委托权益证明（QDPoS）来防御对参与共识的代表节点选择的量子攻击。 同时，提出了具有节点行为和 Borda 计数的 DPoS（DPoSB），以公平地选择低能耗的见证节点。
（3）量子区块验证：在区块链中加入新区块之前，必须进行区块验证，检查新区块中的交易消息等相关信息。 量子区块链通过量子签名算法生成可验证信息，并发送给其他节点进行验证。 新区块验证通过后，量子矿工将新区块发送给区块链网络中的其他节点进行共识。 在[10]中提出的量子区块链协议中，每个区块由一个编码加权超图状态信息的量子比特表示，这减少了整个区块链所需的存储空间。 该协议可以抵御多种安全威胁，包括外部攻击、拦截测量重复攻击和纠缠测量攻击。
（4）量子块传播：在量子区块链中，块的传播可以通过量子保密通信在经典网络和量子网络上进行。当网络中的信道使用QKD保证其通信安全时，在块传播之前，必须在量子信道上分发用于加密块的量子安全密钥。此外，量子区块链可以通过量子网络中的纠缠传播用于表示区块链信息的量子比特。两种方法均可为量子区块链中的块传播提供信息论保护。然而，由于量子通信资源仍然稀缺且昂贵，如何在区块链的块传播效率和安全性与最小化网络成本之间取得平衡是需要阐明的问题。
C.基于Web 3.0的量子区块链服务
在Web 3.0中，通过量子密码协议，提供了一些基于量子区块链的服务，包括量子DDID、量子NFT (QNFT)、量子DeFi和量子DAO。
（1）量子去中心化数字身份：Web3.0中的用户使用自己的私钥对区块链中的数字资产(如UGC、浏览记录、交易记录、行为记录等)进行数字签名，证明其所有权，即分布式数字身份。量子签名算法利用量子物理的随机性，为Web 3.0环境下的用户提供防篡改、匿名、透明的数字身份。此外，利用量子DDID可以恢复用户账户中的原始价值。
（2）量子不可替代令牌:不可替代令牌是Web 3.0的一种独特实现，用于强制执行用户创建的内容。 通过给数字资产打上特定的权利，基于智能合约的NFT可以生成一个唯一的链接，记录在相应的区块链上，不可篡改，形成一个唯一的可以证明所有权的数字收藏。 量子算法（例如量子行走）不是直接将 NFT 物理分发给所有者，而是可以用量子二分超图状态表示 QNFT 中的信息，并将量子状态附加到区块链。 因此，量子区块链可以在保证唯一性和所有权证明的情况下，提供更可靠、更具成本效益的 QNFT。
（3）量子去中心化金融：Web 3.0下的去中心化金融(DeFi)，包括稳定币、去中心化交易所、p2p借贷等，可以增加在区块链上流通的数字资产的流动性。量子区块链可以为DeFi中的交易提供即时支付传输的信息理论安全。例如，在[11]中提出了一种经典量子混合框架，为现有基于智能合约的区块链提供了一种可扩展的解决方案。利用基于量子安全通信的量子闪电实现了Web 3.0下的量子DeFi，实现了无限制的吞吐量和瞬时支付。
（4）量子去中心化自治组织：去中心化自治组织是Web 3.0上一种以低信任模式充分参与决策的社会组织形式。DAO的参与者有平等的权利通过投票公开透明地确定区块链中的协作规则和流程，包括智能合约、事先承诺、任务分配、工资和组织治理。在DAO中，参与用户的身份可以通过量子签名算法进行验证。然后，通过量子投票机制，用户可以在DAO上以信息论安全的形式参与对新提案的投票。最后，通过量子区块链代币来分配DAO中的激励。
综上所述，提出的量子区块链驱动Web 3.0框架可以利用量子密码协议为基于量子区块链的服务提供可证明安全的服务。为了支持量子密码技术的可持续使用，需要通过量子网络为区块链实现高效联网，并为矿工和NFT交易者提供激励机制。
3.量子区块链驱动的web 3.0技术、应用与挑战
A.量子密码技术
量子区块链驱动的Web 3.0持续发展的过程中，主要有六个阶段，如图3所示。在不同阶段，量子密码技术将成为支持该阶段量子密码协议的主流技术。
图3:量子区块链驱动的Web 3.0发展阶段。
（1）量子安全通信：为实现量子区块链中的通信安全，可以采用QKD和量子安全直接通信（QSDC）。一方面，QKD是通过量子通信实现对称加密的密钥交换协议；利用不可克隆定理和海森堡不确定性定理，QKD可以为一次一密（OTP）的通信提供可证明的安全性。在可信中继器网络阶段，提出了普通协议，例如 BB84 协议 [12]，将关键信息编码为量子态，并通过实验量子网络传输。 然后，在准备和测量网络阶段，提出了独立于测量设备（MDI）的QKD协议来提高QKD链路的可行距离。 最后，在纠缠分布网络阶段，开发了设备无关 (DI)-QKD 协议以提供更长的量子网络纠缠距离。 另一方面，随着带有量子存储器的量子路由器的发展，QSDC在量子存储器网络阶段成为可能。 QSDC协议通过分块、量子隐私放大、纠错等方式实现秘密信息的直接传输。 这样，QSDC不仅构成了一种新的安全通信范式，而且构成了一种在量子信道中传输消息的瞬时通信方案。
（2）量子随机数发生器：基于量子力学的不确定性原理，相对于经典计算中的伪随机数发生器，量子计算可以为密码协议提供真正的随机数发生器，即量子随机数发生器（QRNG）。 QRNG 的优点是多方面的。 这些包括利用量子不确定性的基本好处，通常是通过使用光子学来提高性能。 最后，理解和验证不可预测性来源的能力是量子区块链的核心保障。
（3）量子签名算法：由于经典的基于非对称加密的数字签名，如RSA，会被Shor算法破解，因此量子数字签名算法被认为是量子区块链保证抗篡改的重要组成部分。基于量子态可区分性的计算问题，量子签名算法能够在量子区块链中保证支付和数据传输信息的安全。
（4）量子哈希函数：在量子区块链的区块头中，量子游走可以提供一个用于区块验证的哈希函数。量子计算机不仅可以用来破解经典哈希函数，还可以利用量子单向函数或量子随机过程开发量子哈希函数。例如，在[10]中提出的量子区块链协议中，基于受控替代量子游走方法将每个块的哈希值编码在一个量子比特中，以生成一个块的哈希值。
（5）量子投票：量子投票协议通过共享具有正确性、可追溯性、可验证性和匿名性要求的量子信息，实现量子区块链中投票过程的信息论安全。 在投票设置节点，投票信息被生成并用量子态编码。 然后选民通过量子通道与其他参与者共享量子信息。 在投票阶段，以透明和匿名的方式计算量子态投票结果。
B.潜在的数字化转型应用
（1）智慧城市：智慧城市旨在开发协议和技术，以提高人们的日常生活质量。与此同时，智慧城市带来的好处也伴随着其他潜在风险。例如，大规模物联网设备容易受到网络攻击。区块链是一种很有前途的分布式安全数据管理方案。然而，量子计算机的实现使得目前大多数区块链底层的加密算法公开易被黑客攻击。在这方面，量子密码有助于消除与区块链和IoT相关的数据存储和传输风险。在[13]中设计了一种新的基于量子行走的认证加密协议QIQW。QIQW协议使智慧城市中的物联网节点能够安全共享数据，并完全控制其记录。同时，基于QIQW的新型区块链框架能够抵抗可能的量子攻击。
（2）智能医疗：智能医疗旨在通过安全的数据收集、高效的数据处理和系统的知识提取来提供以患者为中心的医疗服务。 然而，维护利益相关者的安全和隐私是传统医疗保健系统面临的挑战。 为了提高当今医疗保健系统的效率，区块链作为一种技术应运而生，它还有助于维护所有利益相关者的安全和隐私。 用量子认证系统取代传统的加密签名算法，在[10]中设计了一种量子电子病历协议。 该协议跟踪每一个医疗记录，同时保证医疗系统中 EMR 的安全性和隐私性。
（3）元宇宙：在元宇宙中，用户以化身的身份远程呈现，沉浸在3D虚拟空间中，并与虚拟物体进行交互。量子区块链驱动的Web 3.0是元宇宙的经济系统。例如，化身身份管理可以利用量子身份验证来进行具有成本效益的验证和经过验证的安全性。 此外，沉浸式游戏中的数字资产被铸造为QNFTs，具有防篡改、唯一性和可交易性。 最后，量子区块链驱动的 Web 3.0 中的跨链机制可以为不同元界之间的数据和支付传输提供即时和信息理论上安全的互操作性。
C.主要挑战
在提出的框架中，主要挑战可以从两个方面确定：网络和激励。
（1）Web 3.0中区块链的量子网络：作为量子网络的固有属性，可以为Web 3.0中的网络配备信息论安全性。 因此，Web 3.0 中区块链的量子网络是一个很有前途的解决方案。 然而，区块链的可扩展性仍然是 Web 3.0 共识和记录支付信息的挑战。 目前，提出了三种主流方案来提高经典区块链的吞吐量，即支付通道、分片和跨链。 首先，通过智能合约中的哈希锁，量子区块链中的两个节点可以在一个量子通道上打开一个支付通道。 其次，可以利用量子网络资源进行分片间通信，以实现区块链中多个分片之间的实时同步。 最后，量子信息技术可以帮助选择多个区块链之间跨链交易的中继。 然而，量子网络资源有限且不足以满足区块链可扩展性所需的吞吐量。
（2）激励机制设计：在Web 3.0中，需要有足够的激励来保证经济生态系统的流动性，以实现长期的可持续性。一方面，该机制必须基于矿工投入的量子计算和通信资源，为在量子区块链中达成共识提供适当的激励和惩罚;另一方面，该机制应该为Web 3.0中的NFT交易提供足够的收益。这样，拟议的框架是可持续的。
4.量子区块链驱动的web 3.0中NFT交易的可持续激励机制
A.量子NFT协议
在量子区块链中，矿工选择希望使用 QDPoS 创建 QNFT 的获胜节点。 QDPoS的获胜者创建了一个量子态来代表 QNFT。 在QNFT的量子态中，第一个量子比特编码了UGC的信息（例如UGC的名称），第二个量子比特编码了UGC的信息，根据共识，UGC是一个随机相位。在准备好 QNFT 的量子状态后，QNFT 的创建者将其状态的副本发送给量子区块链中的每个参与者。 每个节点在收到提议的 QNFT 后，通过对 QNFT 的每个量子比特使用量子门来验证 QNFT。 如果提议的 QNFT 未能通过，即如果测量结果与准备的结果不匹配，协议将中止此 QNFT 并惩罚提议的对等点。 如果提议的状态通过验证，每个节点都会将该块添加到其区块链的本地副本中。 这样，QNFT就成功加入到量子区块链中了。
B.基于量子深度学习的最优拍卖
为了保持Web 3.0的可持续性，NFT 即使在创建后也可以在市场上进行交易以进行分发。 NFT 交易产生的利润可用于 Web 3.0 经济体系中的流动性。 多买家多物品最优拍卖的目标是在保证个体理性和DSIC的情况下最大化预期收益。 在经典的基于深度学习的最优拍卖（DLA）中，拍卖师的价格规则和分配规则由神经网络输出。 为了获得多个项目的出价，使用长短时记忆 (LSTM) 节点从出价中提取有用信息。 在神经网络隐藏层之后，再分别处理潜在输出层的ReLu函数和softmax函数，输出价格因子和分配概率。 为了减少 DLA 神经网络中的参数数量，我们通过用量子电路替换隐藏层提出了基于 QDL 的最优拍卖 (QDLA)。 QDLA 的框架如图 4 所示，其中量子电路由 AngleEmbedding 和 BasicEntangler 层组成。
图4:基于量子深度学习的混合经典量子神经网络拍卖示意图。
C.实验结果
为了验证提出的QDLA的有效性，在Web 3.0的NFT交易市场上评估了DLA和QDLA的性能。我们用3个买家和3个市场上的商品生成7000个训练样本和3000个测试样本，NFT的估值从0到1随机选择。DLA的学习率设置为0.001,QDLA的学习率设置为0.01。在DLA中，LSTM层的大小为32，隐藏层的大小为32。在经典的QDLA网络中，LSTM层的大小为4，隐藏层的大小为16。在QDLA量子网络中，量子比特数为4，层数为6。所提QDLA的实验结果如图5所示。正如我们在图5(a)中观察到的，DLA和QDLA可以在大约第10个epoch收敛，并且在期望收益方面优于第二价格拍卖(SPA)，后者可以确保IR和IC，但不能最大化收益。遗憾，即实现效用和最优效用之间的平方距离，在图5(b)中评估。可以观察到，两种机制都可以实现接近于零的非负遗憾，这意味着DLA和QDLA可以实现DSIC。综上所述，虽然QDLA比DLA包含的参数更少，但QDLA可以取得与DLA相似的收益，并且比DLA更具鲁棒性。
图5:NFT交易市场的收益和遗憾。
量子区块链有效地综合了量子网络的安全性以及量子计算和量子算法的效率。通过这个用例，清楚地证明了所提出的构建去中心化数字社会的框架不仅可以实现信息论的安全性，而且可以在Web 3.0中实现长期的可持续性。
5.结论
在本文中，我们通过在区块链中实施量子加密协议来实现去中心化、可扩展性和安全性，研究了量子区块链驱动的 Web 3.0。 具体而言，我们提出了量子区块链驱动的 Web 3.0 框架，该框架由使能基础设施、量子密码协议和基于量子区块链的服务组成。 此外，我们还讨论了拟议平台中的潜在应用和挑战。 最后，研究了基于 QDPoS 的 QNFT 协议作为用例，并提出了基于 QDLA 的最优拍卖以提高 NFT 交易市场的流动性。 实验结果证明了所提出的 QDLA 的有效性和效率。
