摘要

Web 3.0 追求建立基于区块链技术的去中心化生态系统，以驱动实体商业和治理的数字化转型。 通过基于密码学技术的区块链共识算法和智能合约，实现数字身份、数字资产管理、去中心化自治组织、去中心化金融，为Web 3.0提供安全、透明的数字经济服务，促进数字与物理的融合 经济体。 随着量子设备的快速实现，Web 3.0 正在与量子云计算和量子互联网的部署同步发展。 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，本次调查从双边角度全面概述了基于区块链的 Web 3.0 及其量子和后量子增强。 一方面，一些后量子迁移方法和抗量子签名为区块链内部技术提供了在量子攻击下实现不可伪造安全性的潜在途径。 另一方面，一些量子/后量子加密和验证算法提高了区块链的外部性能，实现了去中心化、有价值、安全的区块链系统。 最后，我们讨论了开发可证明的安全去中心化数字生态系统的未来方向。

CCS 概念： • 安全和隐私→ 密码学； • 计算理论→计算模型。

其他关键词和短语：量子计算、后量子密码学、去中心化、区块链。

1引言

1.1背景

Web 3.0中的去中心化数字经济，包括创造者经济和去中心化自治组织（DAO），可以改善用户体验，并将用户隐私和安全提升到一个新的水平[1，2]。如果没有可信的权威机构，用户将拥有建立在区块链上的独特数字身份，以访问Web 3.0中的个人数据和去中心化应用程序。除了读写操作，Web 3.0还可以基于区块链技术为参与者的数字资产提供所有权证明。在Web 3.0中，用户的数据存储在区块链中或链接到区块链，并存储在分布式数据存储系统中，如行星间文件系统（IPFS）[3]。同时，Web 3.0中的活动和法规是通过DAO提出的不可变、透明的智能合约和共识算法来执行的。

Web 3.0的去中心化特性使用户能够更好地控制他们的数据，从而减少了对集中管理机构的依赖[1]。区块链的作用是通过为用户提供一种值得信赖的方式来存储数据和进行交易，而无需集中授权，从而增强Web 3.0的安全性和透明度。然而，需要注意的是，区块链技术容易受到量子计算的影响，量子计算可以破坏经典计算中常用的哈希函数和公钥加密等单向数学函数。由于量子比特（量子位）的叠加和纠缠，量子计算有足够的处理能力在保密期内打破现有的数字签名和哈希函数。例如，一台具有2×107量子比特的量子计算机可以在8小时内破解RSA-2048]。因此，恶意用户有可能利用量子计算机轻易地从区块链钱包中窃取私钥，最终导致该钱包中所有资金的损失。

虽然Web 3.0为用户提供了阅读、制作和拥有用户生成内容（UGC）的能力，但一旦量子计算机的性能满足操作Shor算法和Grover算法的先决条件，传统的区块链技术就濒临过时[5]。量子信息技术的激增为区块链技术在Web 3.0中开辟了一条新的途径。基于量子信息技术的量子区块链可以制定更安全、更有弹性的分布式账本，不受量子攻击。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，以便在量子信道上传输。QKD保密通信采用一次焊盘技术，可以实现理论上的信息安全数据传输。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制造量子投票[6]和量子签名[7]算法。此外，基于对量子攻击免疫的后量子密码算法的后量子区块链也可以被视为后量子时代安全Web 3.0的解决方案。因此，经典区块链被革命性地转变为量子区块链，具有延长数据加密和20多年使用的额外好处。

由于量子信息技术和区块链目前的巨大兴趣和互补优势，我们旨在从双向的角度研究最先进的量子信息技术如何推动区块链为Web 3.0的发展开辟新的视野。具体而言，我们探索了量子区块链在内部技术方面的好处，即共识协议、激励机制、智能合约和密码。此外，我们还研究了量子技术如何在去中心化、盈利能力和存储隐私等外部方面提高区块链的性能。

图1.Web 3.0中量子驱动区块链的研究活动

1.2相关书籍和调查

最近，有许多努力试图将量子信息技术和区块链融合到量子和后量子区块链中。与此同时，量子信息理论和计算的发展导致量子区块链研究的数量增加。

关于量子区块链的框架、机遇和挑战的一些工作是[8-14]。Faridi等人探讨了量子计算在区块链系统中的可能性和潜在优势[8，9]。[10]总结了量子区块链与经典区块链相比的优势和发展前景，同时提供了将量子技术应用于区块链的详细方法。Kiktenko等人概述了量子区块链的研究现状[11]，涵盖了抗量子区块链协议和密码学算法等主题。Vlad等人探索了利用时间纠缠创建量子区块链的潜力，并提出了实现量子区块链所面临的挑战[12]。此外，Dey等人概述了与开发量子区块链相关的挑战和机遇[13]，包括与量子安全、可扩展性和互操作性相关的问题。Allende等人提出了一些关于量子区块链实现的教程[14]，其中量子熵是通过CQC的铁桥平台提供的，LACChain Besu被用作区块链网络。然而，上述工作只关注内部技术优化（即共识协议、激励机制、智能合约和密码学）或外部性能改进（即存储的经济性、去中心化、可扩展性和隐私性）。目前还没有研究从内部优化和外部性能来探索量子区块链的好处。因此，本次调查提供了一个全面的量子区块链账户从双向视角构建弹性Web 3.0基础设施。我们总结了Web 3.0中量子驱动区块链的研究活动，如图1所示。

除非将量子技术集成到区块链技术中，否则经典区块链的组件将面临量子攻击[5]，从而对区块链的内部技术和外部性能造成安全风险。目前，我们已经看到了信息理论上安全的量子协议的发展，如量子同态加密协议[15，16]、量子图像加密[17，18]和量子数字签名[19，20]，同时已经进行了几次尝试来结合后量子密码学[21，22]。这些协议为区块链的内部技术和外部性能带来了好处，在量子攻击下实现了隐私、安全、有效和盈利。

尽管如此，上述研究的重点是Web 3.0中区块链量子技术的内部技术优化或外部性能改进。目前还没有研究探讨量子技术在这两个方面对区块链的好处。因此，本次调查从综述、动机和全面的框架出发，从Web 3.0场景中从内部和外部两个方面全面介绍了区块链与量子信息技术的结合，以研究挑战和未来方向。

1.3我们的调查量子计算机的进步破坏了经典区块链的安全性，迫切需要解决区块链的局限性，继续开发Web 3.0。本文旨在将量子信息技术集成到区块链中，并深入研究Web 3.0的最新发展。本次调查的贡献可总结如下：

• 首先，我们介绍了区块链和量子信息技术的基本原理，同时从双边角度给出了利用量子技术的互补特性支持区块链的动机，即内部技术优化和外部性能改进。
• 第二，我们从共识协议、激励机制、智能合约和密码学四个方面优化量子区块链的内部技术。
• 第三，我们提高了外部性能，以更好地支持量子区块链，包括存储的经济性、去中心化、可扩展性和隐私性。
• 第四，我们研究了量子区块链的潜在应用，并为在Web 3.0中实现量子区块链提供了教程。
• 最后，我们探讨了几个关键挑战和开放的研究方向。

本文的分类图如图2所示。具体而言，我们首先在第2节和第3节中介绍了区块链和量子信息技术的背景。然后，在第4节中解释了整合它们的动机。接下来，我们详细描述了来自内部技术优化（第5节）和外部性能改进（第6节）的集成技术。在第7节中，我们研究了量子区块链的一些应用和教程。第8节讨论了研究的挑战和未来的方向。最后，在第9节中得出结论。

2.区块链在WEB 3.0中的概述

在本节中，我们介绍了WEB 3.0中区块链的背景，包括定义、内部技术和外部性能，如图3所示。

图2.Web 3.0中量子驱动区块链的分类图

2.1 Web 3.0的基础设施和赋能基础设施

作为数字经济的基石，Web 3.0可以以去中心化、安全和透明的方式推动数字化转型。读/写/拥有Web 3.0是从读Web 1.0和读/写Web 2.0演变而来的，允许内容创建者和用户拥有使用和管理其数字资产的权利[1]。在Web 1.0中，用户只能阅读由拥有互联网上大部分数据和价值的权威出版商发布的在线内容。

图3.Web 3.0中的区块链背景

Web 1.0中的数据存储在互联网所有者的本地服务器上。过渡到Web 2.0后，用户可以访问来自在线应用程序和平台的信息，也可以创建内容并与其他用户共享。然而，数据的价值存储在云服务器上，由公司所有，用户仍然无法拥有他们阅读和创建的内容。最后，在Web 3.0中，用户使用他们的数字身份和钱包访问互联网，这些身份和钱包被用来管理他们在在线服务中创建的数据。因此，Web 3.0也被认为是价值互联网[23]，它允许用户以数字资产的形式创建、管理和交易用户生成的内容。

区块链是基于共识算法和智能合约开发的，可以为Web 3.0应用程序和服务提供去中心化和互操作性[24]。Web 3.0中的每个用户都拥有一个由其数字身份组成的数字钱包。通过数字钱包，用户可以在Web 3.0上与分布式账本进行交互，以管理他们的行为数据资产、数字资产和交易历史，这些资产匿名记录在链上数据库中。分布式数据存储使Web 3.0应用程序能够存储以前必须存储在分布式数据服务器上的用户交互和身份验证数据。在使用过程中，用户可以通过其数字身份访问数据。通过分布式数据存储系统存储数据的好处包括低存储成本、高安全性和低存储成本[3]。分布式存储使用智能合约将数据分布在多个网络节点上，并充分利用其存储资源。

3.量子信息技术概述

在本节中，我们介绍了量子信息技术的背景，包括量子通信、量子计算和后量子密码学，如图4所示。

图4.Web 3.0中量子信息技术的背景

3.1 量子通信

万物互联时代，海量敏感数据依赖于通信网络。 这些数据通常被加密，然后与“密钥”一起通过光纤电缆发送。特别是，这些数据和密钥被发送为经典位，可以被黑客读取和复制而不留痕迹，从而导致安全问题。 下面，我们给出一些关键术语以充分理解量子通信。

• 量子：“量子计算”中的量子是指系统用于计算输出的量子力学。通常，量子是指任何物理属性的最小可能离散单元，例如电子、中微子和光子。
• 量子比特：与经典计算中的比特类似，量子比特是量子计算中信息的基本单位。

它们之间的区别在于，经典位是二进制的，只能取1或0的值，而量子位可以保持所有可能状态的叠加。

量子通信使用量子物理定律来保护私人数据 [32]。 这些定律允许粒子，即传输数据的光子，呈现叠加状态。 即这种状态的测量结果不是确定的|0⟩或确定的|1⟩，其中|·⟩在狄拉克符号中被称为“ket-vector”。 这也意味着粒子可以同时采用 1 和 0 值的多种组合。 这些粒子被称为量子比特，或 qbits。 量子比特的超脆弱量子态导致黑客无法在不留下活动迹象的情况下篡改它们。

量子通信涉及为通信协议生成和使用量子态。

3.1.1 量子隐形传态。量子隐形传态是一个过程，通过该过程可以将量子比特从发送者传输到接收者，而无需实际通过空间传输该量子比特 [33]。 与科幻小说中描绘的隐形传态不同，量子隐形传态被描述为一种将物理对象从一个位置转移到另一个位置的方法，而量子隐形传态仅传输量子信息 [34]。 此外，量子隐形传态利用量子力学的特性，即量子纠缠将一个粒子的量子态转移到另一个粒子上 [35]。

3.1.2 量子密钥分发。量子通信主要关注通过开发安全的量子信道来实现安全通信。 该领域最有趣的主题之一是 QKD，它使用量子隐形传态生成允许加密和解密消息的密钥对 [36]。

目前，出现了许多实施 QKD 的方法和协议。QKD 可以防止黑客攻击并提供出色的隐私保护，同时解决基于量子密码学的密钥分发问题 [37]。 我们以一个已知的 BB84 为例来介绍 QKD 过程。 假设 Alice 想安全地向 Bob 发送数据。

• 加密密钥的生成和传输：Alice 创建一个量子位形式的加密密钥。 然后，这些量子比特将通过光纤电缆发送给鲍勃。
• 量子比特的状态测量：Bob 然后使用一个随机基来测量用该基接收到的量子比特，之后Bob 向Alice 确认他通过公共信道接收到的量子比特。
• 密钥筛选：Alice和Bob可以通​​过比较一部分量子位的状态测量来确定他们持有相同的密钥。
• 密钥蒸馏：它由Alice 和Bob 运行，涉及计算错误率是否高到足以表明黑客正试图拦截密钥。
• 密钥更新：如果是这样，则可能会在生成新密钥时丢弃可疑密钥，直到 Alice 和 Bob 确信他们共享了一个安全密钥。 然后，Alice 可以用她的密钥加密数据并将其作为经典位发送给 Bob，Bob 使用他的密钥来解码消息

4.WEB 3.0 中量子区块链的动因

区块链的局限性和量子信息技术的优势互补是显而易见的。

自然而然，量子信息技术辅助区块链的出现有望对Web 3.0产生重大影响。 在本节中，我们主要讨论量子区块链的动机，如图 5 所示。

4.1 什么是量子区块链

目前，量子区块链还没有标准定义。 什里瓦斯等。 al 将量子区块链视为基于量子信息理论和计算的分布式、去中心化和加密数据库 [43]。 在 [44] 中，Nilesh 等人。 al认为量子区块链应该满足以下属性。 i) 去中心化架构。

ii) 带有分布式账本的量子网络。 iii) 量子网络中的节点需要具备量子能力，例如量子存储和量子态准备。 iv) 共享量子数据库。 与经典区块链相比，量子区块链具有以下优势[45]：i）更高效。 ii). 更加强大。 iii) 更安全。 iv) 更便宜。 v) 更聪明。 vi) 更容易监管。

在本次调研中，我们认为Web 3.0中的量子区块链是一种结合了量子信息技术和区块链原理的技术，旨在为Web 3.0打造一个更加安全高效的生态系统。

图 5. Web 3.0 中量子驱动区块链的分类图

5 量子区块链内部技术优化

5.1 量子共识协议

在调查中，我们详细讨论了Web 3.0 的量子共识协议的分类，以更好地理解量子共识。 在本次调研中，量子共识协议是指区块链在量子技术支持下改进的共识协议。

5.1.1 基于量子的分类。根据量子力学的特点，量子共识协议可以分为以下两类。

5.1.2 基于区块链的分类。参考 [48]，区块链中的共识协议在 Web 3.0 中分为两组。 第一组是基于证明的共识协议，它使用计算证明来确定获胜者生成块，例如 PoW。 第二组是基于投票的共识协议。 在这方面，区块链中的节点投票相等，达成共识，比如PBFT。 根据基于区块链的分类，我们以相同的方式对量子共识协议进行分类。

图 6. 量子区块链结构

5.2 激励机制

激励机制在经典区块链[53]中得到了很好的研究，如何为量子区块链中的参与者设计有效的激励机制的问题在 Web 3.0 中仍然很有趣。 为了保持经典区块链的去中心化，分发了激励措施，例如静态挖矿奖励和交易气体，以激励矿工参与共识过程。

5.3 智能合约

Web 3.0 中现有的智能合约对抗量子攻击力求提供效率和可扩展性的解决方案。 一方面，量子计算和量子通信可以在智能合约的开发中提供可证明的安全性。 另一方面，基于后量子密码学的智能合约在一定程度上可以抵御量子攻击。 这两个解决方案可以为签署、执行和验证智能合约提供高效和可扩展的解决方案。

5.4 区块链的后量子迁移

为了有效规避前量子区块链的风险，近年来许多研究者提出了一些后量子迁移方法。 在本小节中，我们探讨了以下机制中后量子迁移的实现。 我们在表 1 中列出了现有研究工作的详细信息。

表 1. Web 3.0 中区块链的现有后量子迁移方法的详细信息。

6 QUANTUM-DRIVEN WEB 3.0 的外部性能提升

6.1 量子区块链经济

量子区块链经济是指在量子和区块链技术的支持下，建立安全、去中心化的Web 3.0 经济模型。在本节中，我们主要探讨量子区块链经济，并在表 2 中列出了现有研究工作的详细信息。

图 7. 量子区块链拍卖

6.2 去中心化

在量子区块链中，通过将量子态与纠缠相关联，以量子方式重新设计经典数据链。 在这种情况下，量子去中心化被认为是“无条件安全的”。此外，必须在任何量子去中心化之前建立量子区块链基础设施，例如访问控制和用户身份验证。在本次调查中，我们关注的是去中心化身份管理 量子区块链。

当前的互联网将用户的数字身份集中存储。 中心化身份侵犯用户隐私，可能会出现单点故障或信息篡改等问题。 已经提出了基于量子区块链的去中心化身份管理来解决由中心化身份引起的问题。 量子区块链身份框架 (QBIF) 是一种用于实现安全假名的流行方法 [99]。 在 QBIF 中，用户控制自己的身份并使用它们，而不会泄露不必要的信息。 同时，身份在分散的量子环境中是安全和真实的，进一步保护隐私和防止伪造 [107、108]。接下来，我们主要介绍QBIF架构的各个方面，包括角色、量子身份证明（QIAs）和量子区块链。

表 2. 现有外部绩效改进工作的详细信息。

7 量子区块链在Web 3.0中的应用及实现教程

本节简要介绍量子区块链在Web 3.0中的一些应用及实现教程，这些应用包括链原生服务和数字化转型应用，如图9和图10所示。

7.1 链原生服务

7.1.1 数字金融。现代数字金融更关注高可靠性和安全性等特性。 作为基于区块链的主要创新，不可替代令牌（NFT）是一种不可替代的数字资产，不能被其等价物取代 [119]。 此外，它通过身份、私募股权交易、知识产权资产、数字收藏等众多应用将物理世界与现实世界连接起来。为了确保量子 NFT 的安全性，[57] 中的工作提出了一种新颖的协议 在传统分类帐和哈希函数被纠缠所取代的区块链上。 这个量子NFT协议一般分为三个步骤，包括NFT区块的创建、token的创建、区块的验证。

图 9. Web 3.0 中量子区块链的链本机服务

7.2 数字化转型应用

7.2.1 智慧城市。智慧城市旨在开发协议和技术以提高人们日常生活的质量。

在这方面，量子密码学有助于消除数据存储和传输的风险。 [123] 中的工作使用量子行走（QIQW）设计了一种新颖的身份验证和加密协议。 QIQW 协议使智慧城市中的物联网节点能够安全地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御可能发生的量子攻击。

此外，后量子区块链（PQB）是提高区块链交易处理安全性的另一种解决方案。 为了在智慧城市中构建轻量级 PQB 交易，[124] 中的工作嵌入了基于后量子身份的签名方案和星际文件系统（IPFS）。 一些后量子解决方案 [125]，例如基于格的密码学、量子密钥分发和纠缠，在实验上很容易对抗量子攻击。 这种 PQB 架构使智慧城市更安全，并提供更好的居住场所。

图 10. 量子区块链在 Web 3.0 中的数字化转型应用

8 未来的研究方向和未解决的问题

尽管区块链在量子信息技术的帮助下在 Web 3.0 中大有可为，但未来的研究仍面临着持续的挑战。 在本节中，我们将讨论几个未解决的问题并探索未来的方向，包括量子密码经济学、量子智能和交易智能。

8.1 向量子和后量子区块链的迁移

由于经典密码学有望在不久的将来被量子计算机破解，因此向基于量子和后量子密码学的密码系统的迁移需要高效和顺利。 在这个过程中，Web 3.0 的遗留区块链也需要向量子和后量子区块链迁移。 然而，这种迁移不仅仅是将 QKD 和后量子密码算法添加到现有区块链。 首先，所有现有的基于传统密码算法（如RSA）的加密数据都可以被量子计算破译，这意味着传统开放系统中的数据可能需要重新加密。 由于现有数据可以在传输过程中被截获，以备日后破解之用。 最后，还有在过渡过程中优先考虑网络技术设施的问题。 由于迁移资源有限，最关键的Web 3.0服务需要最早迁移到量子和后量子区块链上。 然而，如何确定向量子和后量子区块链迁移的优先级仍有待研究。

8.2 内部技术和外部性能

8.2.1 量子和后量子区块链的标准化。 量子和后量子区块链的标准化依赖于量子网络和后量子密码学的标准化。 Web 3.0标准化后可大规模投入工业生产，快速提升可扩展性和服务性数字生态系统的多样性。 首先，量子网络的标准化可以为量子区块链带来高效且绝对安全的量子密码方案。 然后，后量子区块链的标准化结果可能由 NIST 举办的后量子密码学竞赛决定。 在本次标准化竞赛中，NIST对不同PQC方案在效率、安全性、兼容性、可扩展性等方面的优缺点进行了广泛的测试、评估和比较。 目前，后量子密码学的标准化可以在几年内完成，而量子网络的部署可能需要几十年的时间来发展。

8.3 经典-量子网络与计算的融合

在 Web 3.0 中，基于区块链的算力网络连接现有经典网络和量子网络中的异构计算资源，以支持分散的应用程序和服务。 基于量子区块链，可以将量子计算和量子网络融入Web 3.0的核心。 因此，Web 3.0 可以分配这些计算和网络资源，以促进内部技术和提高外部性能。 例如，Web 3.0 与经典量子网络和计算的融合可以利用量子计算来处理更复杂和大规模的优化、模拟和机器学习问题。 此外，它还可以通过量子网络为去中心化应用程序提供更快、更稳定和更具可扩展性的网络连接。 虽然结合量子和经典计算能力网络可以为 Web 3.0 驱动数字化转型带来更多潜力，但需要进一步研究以设计适当的协议和算法来划分、调度、同步和融合量子经典计算和网络。

经验教训：量子区块链仍处于发展初期，需要在可靠性、安全性、效率、可扩展性等方面不断探索和创新。 在本节中，我们给出了一些未来方向，以帮助构建弹性 Web 3.0 基础架构。

9 结论与讨论

鉴于量子信息技术与区块链之间的互补优势，很明显，集成量子区块链展示了一种实现分布式 Web 3.0 基础设施的方法。 在本文中，我们讨论了量子区块链并彻底检查了 Web 3.0 中的大部分发展。 具体来说，我们主要从优化内部技术和提升外部绩效两个方面来描述整合。 然后，我们介绍了一些潜在的量子区块链应用程序和教程，以便在 Web 3.0 中实现。 最后，我们讨论了一些为 Web 3.0 开发开辟新视野的重要挑战和研究方向。

迄今为止，量子区块链仍处于起步阶段，有望在满足 Web 3.0 的多样化需求方面发挥越来越大的作用。 本文为量子区块链在Web 3.0中的进一步研究和应用提供了全面、系统、深入的介绍。