基于量子區(qū)塊鏈的食品冷鏈追溯系統(tǒng)構建

何 靜，胡鑫月

（上海海洋大學經濟管理學院，上海 201306）

2020年新型冠狀病毒肺炎疫情席卷全球，我國多地食品冷鏈中檢測到新型冠狀病毒，給相關企業(yè)食品安全及疫情防控工作帶來了巨大的挑戰(zhàn)。冷鏈食品對生產、運輸、貯藏、銷售全過程的時間和環(huán)境控制都有很高的要求，其中一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都可能會觸發(fā)食品安全事件。當前食品冷鏈逐漸呈現(xiàn)多渠道、多主體、網絡化的趨勢，傳統(tǒng)鏈式追溯系統(tǒng)中各企業(yè)間信息不對稱、追溯斷鏈、追溯環(huán)節(jié)中心化、信息真實性存疑、政府監(jiān)管部門無法有效監(jiān)管等問題依舊嚴重，建設高水平食品冷鏈追溯系統(tǒng)可以有效地對食品安全問題進行事前防范和事后溯源跟蹤，因此，如何通過開發(fā)高效的溯源技術不斷提升追溯水平已成為重要的研究課題。

目前區(qū)塊鏈技術作為信息前沿技術之一，具有不可篡改、分布式、去中心化、可追溯等特點，受到國家政府、企業(yè)機構以及各領域專家學者的高度重視。許多學者將區(qū)塊鏈技術與物聯(lián)網、射頻識別、無線傳感網絡、可視化技術等結合，促進了區(qū)塊鏈在食品溯源系統(tǒng)建設方面的廣泛應用。在此基礎上，李小玲、張森、孫艷舫等將區(qū)塊鏈應用于生鮮食品冷鏈物流信息追溯領域，對訂單數(shù)據(jù)和冷鏈環(huán)境數(shù)據(jù)進行上鏈存儲，構建了基于區(qū)塊鏈技術的食品冷鏈物流信息追溯系統(tǒng)，從而提高了食品冷鏈物流行業(yè)的可信性和數(shù)據(jù)的安全性。在生產實踐中，京東物流也已經開始進行區(qū)塊鏈布局，通過打造冷鏈倉儲網、冷鏈運輸網、冷鏈配送網“三位一體”的綜合冷鏈服務體系，以適應其所構建的社會化冷鏈協(xié)同網絡發(fā)展的要求。

區(qū)塊鏈為解決傳統(tǒng)食品冷鏈追溯系統(tǒng)中存在的問題提供了可能，但是近年來，隨著量子科技的發(fā)展，學者們發(fā)現(xiàn)其強大的計算能力對區(qū)塊鏈的安全也產生了一定的威脅。一方面，量子計算中的Grover暴力搜索算法會對區(qū)塊鏈源數(shù)據(jù)進行暴力搜索，使得對“挖礦”這類對算力有著高要求的區(qū)塊鏈共識機制產生威脅；另一方面，量子計算的Shor算法對于區(qū)塊鏈普遍使用的加密技術構成威脅，能夠破解公私鑰的加密。Kiktenko等提出基于量子密鑰技術進行身份驗證的量子區(qū)塊鏈，通過為區(qū)塊鏈信息提供加密安全傳輸信道，構建出一種具有絕對安全的分布式區(qū)塊鏈網絡。張俊等認為基于量子密鑰分發(fā)與量子隱形傳態(tài)的量子區(qū)塊鏈具有較好的發(fā)展前景，可以抵御量子威脅。應用方面，鄭濤等結合量子技術與區(qū)塊鏈方案提出了一種基于信任評估的量子區(qū)塊鏈網絡下的匿名選舉方案；Sun Xin等提出了一種基于量子區(qū)塊鏈的抽簽協(xié)議和拍賣協(xié)議；Zhang Jialei等提出了一種基于區(qū)塊鏈和量子簽名的電子支付協(xié)議。

綜上所述，區(qū)塊鏈技術雖然具有很高的安全屬性，但在信息傳輸、處理的過程中，數(shù)據(jù)仍可能被暴露或篡改，從而造成信任缺失。量子通信使通信雙方可以在安全性未知的信道上建立具備信息理論安全的密鑰分發(fā)通道，在一定程度上增強了系統(tǒng)安全性。因此本文提出基于量子區(qū)塊鏈的食品冷鏈追溯系統(tǒng)構建思路，利用量子區(qū)塊鏈中量子密碼的無條件安全優(yōu)勢以及共識機制、智能合約等技術賦能食品冷鏈追溯系統(tǒng)，借助量子密鑰通信技術完成節(jié)點間的身份驗證評估，替代傳統(tǒng)區(qū)塊鏈非對稱加密的數(shù)字簽名，經全網廣播驗證，保障食品冷鏈網絡中多節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸安全，增強追溯主體間信任，以解決當前冷鏈追溯存在的問題，為冷鏈食品追溯系統(tǒng)高效可持續(xù)發(fā)展提供參考和借鑒。

1 區(qū)塊鏈與量子區(qū)塊鏈

1.1 區(qū)塊鏈的技術原理及其局限性

區(qū)塊鏈是將數(shù)據(jù)存儲在區(qū)塊中，以密碼學方式將各數(shù)據(jù)區(qū)塊以時間順序連接起來的分布式賬本技術，是在去中心化的網絡中建立一個不依賴第三方或核心機構的共享數(shù)據(jù)庫，所有用戶節(jié)點都可以訪問、監(jiān)督和使用這個數(shù)據(jù)庫。如圖1所示，區(qū)塊鏈中網絡節(jié)點之間產生交易，將交易進行全網廣播，接收節(jié)點對交易進行打包至新區(qū)塊中，網絡節(jié)點執(zhí)行共識算法，并將驗證結果進行全網廣播，通過全網絡節(jié)點的共識驗證，將該數(shù)據(jù)區(qū)塊加入區(qū)塊鏈中。

圖1 區(qū)塊鏈工作原理Fig. 1 Working principle of blockchain

區(qū)塊鏈中的每一個區(qū)塊都封裝了前一區(qū)塊地址、當前區(qū)塊的目標哈希值、Merkle根以及時間戳等信息，通過哈希值和時間戳把每個區(qū)塊連接起來，保證了數(shù)據(jù)的不可篡改和可追溯性，另外通過共識機制和分布式存儲保證了數(shù)據(jù)的去中心化和一致性。

近幾年區(qū)塊鏈技術在諸多領域得到應用，但在推廣應用的過程中也暴露出一些局限：1）系統(tǒng)性能效率逐漸下降。不同的區(qū)塊鏈類型和平臺在用戶接入、數(shù)據(jù)容量上都有一定的局限性，隨著區(qū)塊鏈網絡節(jié)點數(shù)量的增多，數(shù)據(jù)存儲冗余多，個人對個人（peer to peer，P2P）網絡傳播、處理和驗證事務所需的時間也不斷延長，系統(tǒng)的性能效率也會逐漸下降。2）存在系統(tǒng)安全危機。基于PoW共識過程節(jié)點通過掌握全網超過51%的算力就有能力成功篡改和偽造區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)。另外，由于區(qū)塊鏈分布式系統(tǒng)的特性，其在交易的時候存在延時是不可避免的，一旦有害信息被寫入鏈中會快速擴散且不易更改，這就給信息安全監(jiān)管帶來極大的挑戰(zhàn)。此外，區(qū)塊鏈也面臨傳統(tǒng)的“雙花”“分叉攻擊”以及量子計算的威脅。3）用戶隱私泄露的風險。當前的區(qū)塊鏈通過公私鑰進行身份驗證，交易對象之間仍具有一定的匿名性，但隨著身份驗證技術的發(fā)展，對公私鑰系統(tǒng)的破解、對數(shù)據(jù)傳輸用戶身份的識別將成為可能，而且攻擊者可以通過在網絡層、交易層和應用層發(fā)動不同形式的攻擊，在更多的位置獲取數(shù)據(jù)副本，達到竊取隱私、分析區(qū)塊數(shù)據(jù)、提取用戶畫像等目的。

1.2 量子區(qū)塊鏈

1.2.1 量子與量子區(qū)塊鏈

1990年馬克斯·普朗克在輻射對黑體影響的研究中引入了能量量子，標志著量子力學的誕生。量子論提出的基本單元是量子比特，具有疊加態(tài)和糾纏態(tài)，量子糾纏即兩個粒子之間不論相距多遠，不受空間影響、不需任何連接，只要一個粒子狀態(tài)發(fā)生變化，就能立即使另一個粒子狀態(tài)發(fā)生相應變化；疊加是量子系統(tǒng)同時處于多種狀態(tài)的能力，它使得量子信息單元的狀態(tài)可以處于多種可能性的疊加狀態(tài)，從而導致量子信息處理在效率上相比于經典信息處理方式具有更高潛力。

將量子信息技術與區(qū)塊鏈技術相結合，形成量子區(qū)塊鏈，很大程度上能夠避免量子攻擊。傳統(tǒng)區(qū)塊鏈將數(shù)據(jù)按時間順序存儲在密碼技術連接的區(qū)塊中，量子區(qū)塊鏈則是將區(qū)塊信息編碼成一連串彼此纏繞的光子。這些區(qū)塊通過時間上的糾纏按時間順序連接起來，運用量子密鑰分發(fā)技術代替非對稱加密傳輸，以量子簽名進行身份驗證，形成糾纏量子態(tài)對照效應，達成量子共識，保證任意節(jié)點之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼鎸嵭裕乐箶?shù)據(jù)被篡改，結合分布式存儲、智能合約等技術實現(xiàn)追溯系統(tǒng)所有節(jié)點共同參與、共同維護。

1.2.2 關鍵技術

1.2.2.1 量子密鑰分發(fā)

量子密鑰分發(fā)技術是以量子為載體實現(xiàn)用戶兩端的密鑰共享，“不確定性原理”“海森堡測不準原理”“量子不可克隆定律”等量子力學基本定律使其具有無條件安全的優(yōu)勢。節(jié)點間通過量子信道傳輸糾纏量態(tài)，形成對應的量子密鑰；通過經典信道傳輸量子密鑰加密后的密文信息（圖2）。當發(fā)現(xiàn)存在竊密者時，密鑰會自動坍塌報廢，即使竊密者竊取到了經典信道的密文信息，也因無法得知糾纏量子對的量子態(tài)，從而無法獲得密鑰，交易節(jié)點將再次生成密鑰重新進行通信，并查找竊密者直至信息安全傳輸。量子密鑰能夠為量子區(qū)塊鏈加密系統(tǒng)的去中心化網絡節(jié)點提供數(shù)據(jù)安全傳輸通道。

圖2 量子密鑰分發(fā)結構圖Fig. 2 Schematic of quantum key distribution structure

1.2.2.2 量子共識機制

共識機制是通過網絡節(jié)點之間的驗證達成一致協(xié)議，從而對數(shù)據(jù)達成共識，擁有相同的分布式賬本，保障了數(shù)據(jù)安全由所有參與者共同監(jiān)管和維護，能夠有效防止信息篡改。在量子區(qū)塊鏈中，解決傳統(tǒng)的拜占庭問題可簡化為解決生成和安全分發(fā)數(shù)字列表的問題，而生成和安全分發(fā)正是以量子態(tài)為載體的量子密碼學具有的核心優(yōu)勢，利用量子密碼學改進的共識機制，能夠借助量子密鑰分發(fā)技術驗證信息傳輸?shù)恼鎸嵭裕瑥亩M一步縮短共識所需要的時間和避免因算力帶來的破解風險。

1.2.3 量子區(qū)塊鏈的優(yōu)勢

傳統(tǒng)區(qū)塊鏈通過哈希加密形成的哈希值連接各個數(shù)據(jù)區(qū)塊并按照時間排序，是空間層面的存儲。在量子區(qū)塊鏈中，量子糾纏優(yōu)于哈希加密，利用量子糾纏能夠實現(xiàn)交易信息空間和時間上的跨越并存，每個區(qū)塊數(shù)據(jù)被編碼成彼此纏繞的光子，第二個區(qū)塊與第一個區(qū)塊糾纏在一起，按照時間順序連接起來。有人想篡改過去的記錄是不可能的，因為過去的光子已經不存在，數(shù)據(jù)仍然可以被讀取和分析是由于現(xiàn)在的光子與過去的光子糾纏著，過去的光子只是一個副本，不能被篡改或觸摸，使得時間糾纏比空間糾纏更具有安全性。

另外，基于量子密鑰分發(fā)技術和量子共識能夠更好地改善非對稱加密和公私鑰系統(tǒng)的身份驗證。傳統(tǒng)區(qū)塊鏈的非對稱加密驗證即用戶A使用自己的私鑰和用戶B的公鑰對信息進行加密，向用戶B發(fā)送數(shù)據(jù)信息，用戶B收到信息后通過自己的私鑰和用戶A的公鑰對數(shù)據(jù)進行解密獲取加密信息。但該加密原理極易被量子計算破解。量子區(qū)塊鏈則利用量子密鑰分發(fā)進行信息加密/解密的密鑰分發(fā)，利用量子隱形傳態(tài)進行對稱密鑰的共享，實現(xiàn)身份驗證與數(shù)據(jù)傳輸。用戶A和B通過糾纏量子對形成相互參照效應，用戶A隨機選擇糾纏量子對，并將量子代號傳送給用戶B，通過量子解調算法形成密鑰經量子信道進行傳輸，再將加密信息通過經典信道傳輸。用戶B根據(jù)對應的糾纏量子形成密鑰對用戶A的加密信息進行解密，形成多節(jié)點之間的高度可信網絡環(huán)境。

2 基于量子區(qū)塊鏈的食品冷鏈追溯系統(tǒng)總體框架設計

2.1 系統(tǒng)構建思路

食品冷鏈追溯主要是針對冷鏈食品的生產、貯存、運輸、銷售全過程，將食品的生產信息、加工信息、物流信息、銷售信息以及所處環(huán)境溫度信息進行實時跟蹤，建立信息追溯和信息共享機制，實現(xiàn)冷鏈食品追蹤與溯源功能的一體化發(fā)展。

食品冷鏈多主體網絡化的發(fā)展迫切需要一個功能強大、高度安全的追溯系統(tǒng)，保障信息在上傳、存儲、交互、查詢的過程中不被篡改和破壞。基于量子區(qū)塊鏈構建的食品冷鏈追溯系統(tǒng)能夠聯(lián)動上下游的所有參與主體，通過量子通信技術嵌入區(qū)塊鏈網絡打造追溯平臺，保證信息傳遞過程身份驗證的真實性，并充分發(fā)揮區(qū)塊鏈分布式、智能合約等優(yōu)勢實現(xiàn)冷鏈各環(huán)節(jié)的信息安全和無縫銜接，在避免量子計算破壞區(qū)塊鏈架構的同時，更好地將量子區(qū)塊鏈技術賦能冷鏈追溯系統(tǒng)。

基于量子區(qū)塊鏈的食品冷鏈追溯系統(tǒng)可滿足冷鏈相關企業(yè)、政府及第三方檢測部門、消費者、其他企業(yè)（如金融機構、科研機構、咨詢公司）等主體的應用需求。1）從冷鏈相關企業(yè)角度考量，可以打破企業(yè)間的信息孤島，實時監(jiān)控食品狀態(tài)，通過量子信道和經典信道進行信息傳遞，雙重加密保障了信息的真實共享，實現(xiàn)冷庫倉儲、運輸調度、配送方案的快速決策，提高冷鏈效率。2）從政府及檢測機構角度考量，量子區(qū)塊鏈有更高的運轉速度，解決了傳統(tǒng)區(qū)塊鏈存在的交易延遲問題，以節(jié)點的形式上鏈能夠實現(xiàn)冷鏈食品跨企業(yè)、跨冷鏈、跨區(qū)域的全程監(jiān)管，智能合約編寫能夠對出現(xiàn)問題的食品做出快速反應，實施精準召回和問責處理，并且能通過信息上鏈實現(xiàn)政策、標準的統(tǒng)一發(fā)布。3）從消費者角度考量，能夠清楚了解冷鏈食品生產、預冷、倉儲、運輸、配送全過程信息，從而增強消費信心和對冷鏈食品的認可度。4）從其他企業(yè)角度考量，經過身份驗證和權限分配后，與冷鏈企業(yè)建立合作，通過對冷鏈食品生產流通中的數(shù)據(jù)獲取，可以對企業(yè)及行業(yè)數(shù)據(jù)進行應用分析。

2.2 總體框架設計

基于量子區(qū)塊鏈的食品冷鏈追溯系統(tǒng)框架包含冷鏈信息采集業(yè)務層、網絡數(shù)據(jù)管理層以及系統(tǒng)應用層，總體框架如圖3所示。

圖3 基于量子區(qū)塊鏈的食品冷鏈追溯系統(tǒng)架構Fig. 3 Food cold chain traceability system architecture based on quantum blockchain

冷鏈食品生產流通過程涉及多環(huán)節(jié)多主體，各節(jié)點都包含了大量數(shù)據(jù)。

冷鏈信息采集業(yè)務層主要是針對冷鏈食品在生產、預冷處理、冷鏈加工、冷鏈儲存、冷鏈運輸和配送及冷鏈銷售等環(huán)節(jié)，利用各種有效的信息采集終端（全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）、溫濕度傳感器、無線射頻識別等物聯(lián)網技術）對關鍵信息進行采集，然后上傳至網絡數(shù)據(jù)管理層，是追溯系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)來源。

網絡數(shù)據(jù)管理層主要是對信息采集業(yè)務層中各節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)進行存儲驗證，經全網廣播共識，達成一致上鏈意見，供系統(tǒng)應用層更好地調用數(shù)據(jù)，該層是量子區(qū)塊鏈技術應用的核心。食品冷鏈的各節(jié)點將采集到的詳細信息記錄在各自的本地核心數(shù)據(jù)庫中，通過對數(shù)據(jù)信息進行哈希運算生成數(shù)據(jù)摘要，與身份編號（identity，ID）一同打包至區(qū)塊，其中ID與本地數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)ID相同，形成映射，以便通過智能合約及時調用查詢詳細信息。區(qū)塊上鏈過程充分運用了量子密鑰分發(fā)技術，一方面，每一階段交易信息進行全網廣播，即上鏈節(jié)點利用量子信道向全網節(jié)點發(fā)送量子密鑰，利用經典信道向全網節(jié)點發(fā)送加密數(shù)據(jù)區(qū)塊，然后每個節(jié)點會觀測到與上鏈節(jié)點對應的糾纏量子態(tài)，生成對應的對稱加密密鑰，從而對加密區(qū)塊進行解密，獲得交易信息。另一方面，網絡節(jié)點獲取解密信息后，通過基于量子態(tài)的量子共識機制進行身份驗證，全網節(jié)點通過量子態(tài)交互，再根據(jù)與本地核心數(shù)據(jù)庫中的副本和彼此檢查結果達成一致共識，最終完成數(shù)據(jù)區(qū)塊的上鏈。以量子態(tài)為載體的密碼學信息傳輸克服了運用公私鑰密碼系統(tǒng)的傳統(tǒng)區(qū)塊鏈受到量子算法威脅的弊端，并可實時監(jiān)測數(shù)據(jù)是否被竊取。另外，量子區(qū)塊鏈由于計算速度加快，在追溯系統(tǒng)應用中也可以更快速地追溯到問題環(huán)節(jié)，結合線上線下雙存儲模式，極大程度解決了傳統(tǒng)區(qū)塊鏈查詢高冗余數(shù)據(jù)低效率的問題，從而大大加快了冷鏈溯源信息獲取的速度。

系統(tǒng)應用層對內是信息采集業(yè)務層以及網絡數(shù)據(jù)管理層的綜合運用展現(xiàn)，對外是面向食品冷鏈相關企業(yè)、政府監(jiān)管部門、消費者及其他企業(yè)等用戶，為他們提供系統(tǒng)應用接口。用戶在該層進行身份注冊，獲取訪問系統(tǒng)平臺的權限，例如，政府監(jiān)管部門對食品冷鏈進行實時監(jiān)控和政策發(fā)布，消費者對食品進行溯源查詢，食品冷鏈相關企業(yè)對各自的信息進行管理和共享，其他企業(yè)通過數(shù)據(jù)申請訪問進行行業(yè)單位數(shù)據(jù)應用分析等。

3 基于量子區(qū)塊鏈的食品冷鏈追溯系統(tǒng)運行體系

食品冷鏈追溯系統(tǒng)實現(xiàn)了冷鏈食品生產流通過程中追蹤與溯源的集成化，其運行體系主要由5 個應用模塊構成（圖4）：系統(tǒng)用戶權限管理、食品冷鏈信息管理、冷鏈食品質量監(jiān)管、冷鏈食品追溯查詢、數(shù)據(jù)應用分析。

圖4 基于量子區(qū)塊鏈的食品冷鏈追溯系統(tǒng)運行體系構成Fig. 4 Operating system composition of food cold chain traceability system based on quantum blockchain

3.1 系統(tǒng)用戶權限管理

系統(tǒng)用戶權限管理模塊通過底層量子區(qū)塊鏈提供的應用層接口為所有使用食品冷鏈追溯的用戶提供注冊登記入口，用戶可以根據(jù)自身業(yè)務和在冷鏈食品各環(huán)節(jié)扮演的不同角色分配對應的訪問權限，使用追溯系統(tǒng)不同的功能模塊。

3.2 食品冷鏈信息管理

食品冷鏈信息管理主要面對冷鏈食品生產流通的相關企業(yè)，對食品冷鏈全過程追溯信息的采集上鏈，包括生產環(huán)節(jié)、加工環(huán)節(jié)、運輸環(huán)節(jié)、銷售環(huán)節(jié)、倉儲、智能預警等。該模塊依靠量子區(qū)塊鏈技術對系統(tǒng)的信息進行管理，是追溯系統(tǒng)的底層技術支撐，也是區(qū)別于傳統(tǒng)區(qū)塊鏈構建冷鏈追溯系統(tǒng)的應用。該模塊的數(shù)據(jù)信息分為訂單數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，訂單數(shù)據(jù)圍繞產品訂單，環(huán)境數(shù)據(jù)圍繞冷鏈食品生產流通的環(huán)境狀況，系統(tǒng)信息流如圖5所示。

圖5 食品冷鏈信息管理模塊的信息流Fig. 5 Information flow of food cold chain information management module

與傳統(tǒng)區(qū)塊鏈追溯系統(tǒng)相比，量子區(qū)塊鏈追溯系統(tǒng)在數(shù)據(jù)信息的生成到上鏈階段有所不同：1）食品冷鏈各環(huán)節(jié)主體通過各種設備采集各自的訂單數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，將完整數(shù)據(jù)存儲在本地數(shù)據(jù)庫中，將原數(shù)據(jù)摘要、時間戳、數(shù)據(jù)庫查找ID記錄在區(qū)塊中，數(shù)據(jù)區(qū)塊信息不再簡單地由哈希值連在一起，而是轉換成過去現(xiàn)在彼此糾纏的量子，第二個區(qū)塊與第一個區(qū)塊相結合，按時間順序存儲；2）數(shù)據(jù)區(qū)塊進入量子區(qū)塊鏈共識過程，通過量子密鑰分發(fā)傳遞記錄網絡中的交易信息，利用糾纏量子態(tài)對照效應形成量子簽名以驗證交互身份，達成共識后將區(qū)塊添加上鏈，而不是利用傳統(tǒng)的非對稱加密和工作量證明進行驗證和共識，冷鏈節(jié)點各企業(yè)在時間與空間雙維度形成關聯(lián)，進一步保障信息交互的安全性和真實性。另外，冷鏈食品從生產加工到運輸銷售全過程的數(shù)據(jù)上鏈后，在信息保護共享方面也優(yōu)于傳統(tǒng)區(qū)塊鏈追溯，傳統(tǒng)區(qū)塊鏈信息通過哈希加密的復雜性保障數(shù)據(jù)安全，量子區(qū)塊鏈通過量子糾纏實時動態(tài)檢測是否存在竊取，在竊密者發(fā)起竊取時就警告全網。

除此之外，基于量子區(qū)塊鏈的冷鏈食品追溯系統(tǒng)還保留了傳統(tǒng)區(qū)塊鏈分布式存儲和智能合約的優(yōu)勢，數(shù)據(jù)上鏈后形成量子區(qū)塊鏈網絡分布式存儲，向節(jié)點返回區(qū)塊信息，通過智能合約調用鏈上鏈下的映射關系，解決了數(shù)據(jù)隱私與充分共享之間的長久矛盾，提高了系統(tǒng)應用效率。利用智能合約技術還能根據(jù)每一環(huán)節(jié)實時記錄的環(huán)境、時間、位置數(shù)據(jù)自動做出智能預警，如流通過程中某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)溫度不達標或者置于常溫下時間過長等問題時會及時觸發(fā)腳本合約發(fā)出預警，相關企業(yè)能夠迅速找到問題所在，從而降低安全風險。

3.3 冷鏈食品質量監(jiān)管

冷鏈食品質量監(jiān)管主要面向政府監(jiān)管部門及檢測機構，其作為各聯(lián)盟鏈的成員之一，參與食品冷鏈追溯網的監(jiān)督維護。基于量子區(qū)塊鏈的高運轉速度，可以提高冷鏈食品監(jiān)管的效率。如圖6所示，一方面，政府監(jiān)管部門將冷鏈食品相關的政策法規(guī)、技術標準、環(huán)境控制標準等通過智能合約以數(shù)字腳本的形式寫入鏈中，實時監(jiān)測食品冷鏈各環(huán)節(jié)狀況，并且當出現(xiàn)冷鏈食品質量安全事故時，能夠快速查清問題源頭、食品流向，在最短的時間內將問題食品召回；另一方面，檢測機構可以通過線上線下結合的方式對企業(yè)食品進行質量檢測，并且將檢測信息上鏈，通過量子雙信道對食品安全、企業(yè)經營進行認證，防止數(shù)據(jù)篡改，起到激勵作用。除此之外，該模塊的另一個功能是當消費者在查詢追溯信息發(fā)現(xiàn)產品存在問題時，可以直接通知到有關部門進行查驗。

圖6 政府智能合約監(jiān)管模塊示意圖Fig. 6 Schematic diagram of government regulation based on smart contract

3.4 冷鏈食品追溯查詢

追溯查詢模塊是面向消費者的，消費者可以查詢食品冷鏈的全過程信息數(shù)據(jù)，通過將食品標識碼輸入追溯系統(tǒng)，查找對應的量子區(qū)塊鏈信息，經智能合約根據(jù)對應的ID調出各環(huán)節(jié)本地數(shù)據(jù)庫中的對應信息，最后通過完整信息鏈的形式呈現(xiàn)生產流通全過程，實現(xiàn)快速跨區(qū)域、跨業(yè)務主體的信息追溯查詢，從而滿足消費者的知情權。如果發(fā)現(xiàn)食品與溯源信息不符或存在影響食品質量安全的行為，可以聯(lián)系有關監(jiān)管部門進行追蹤查驗，從而維護消費者權益，增強消費信心。

3.5 數(shù)據(jù)應用分析

基于量子區(qū)塊鏈的食品冷鏈追溯系統(tǒng)為企業(yè)提供了更加安全可信的交互環(huán)境，并且數(shù)據(jù)的集成化對于數(shù)據(jù)的應用具有較高的價值，冷鏈生產流通之外的其他企業(yè)用戶，如金融機構、科研機構、咨詢公司等，可以通過系統(tǒng)平臺的認證，借助量子區(qū)塊鏈加密信息傳輸，保證交互安全性，與冷鏈企業(yè)達成共識協(xié)議，對數(shù)據(jù)進行獲取分析，減少通過其他渠道建立溝通的成本。例如金融機構可以通過該模塊建立企業(yè)金融資產評估參考體系，發(fā)布企業(yè)信用等級評估信息，也可降低金融機構信息不對稱的風險，解決中小企業(yè)融資難的問題；科研機構可以借助該平臺進行科研分析，進一步推動產學研快速發(fā)展，通過該模塊數(shù)據(jù)應用分析可以助力冷鏈追溯系統(tǒng)的完善優(yōu)化；咨詢公司也可以對行業(yè)現(xiàn)狀加以評估，做出合理科學的判斷。

4 結 語

未來量子通信技術和區(qū)塊鏈技術在網絡化結構和去信任化技術特質上的融合將成為必然的發(fā)展趨勢，量子區(qū)塊鏈的研究應用也將成為未來發(fā)展的熱點之一。2021年1月7日，中國科研團隊已成功實現(xiàn)了跨越4 600 km的星地量子密鑰分發(fā)，能夠支撐多用戶之間的量子加密通信，形成了量子通信網雛形，進一步加強了量子區(qū)塊鏈的部署。

本文將量子區(qū)塊鏈技術應用于食品冷鏈追溯系統(tǒng)的構建和運行中，量子區(qū)塊鏈技術將區(qū)塊信息編碼成一連串彼此纏繞的光子，結合量子密鑰分發(fā)的雙信道量子加密傳輸，代替?zhèn)鹘y(tǒng)非對稱加密，完成節(jié)點間的身份信任評估，借助去中心化的分布式賬本、量子共識機制、智能合約等技術，使得系統(tǒng)能夠抵御量子算法的破解風險，保證了冷鏈食品質量追溯信息的真實性，進一步提升了食品冷鏈追溯系統(tǒng)的安全性，增加參與節(jié)點間的信任。采用線上鏈路+線下數(shù)據(jù)庫雙存儲的數(shù)據(jù)管理模式，借助量子區(qū)塊鏈的高速運作以及智能合約加以調用連接，降低了冷鏈追溯對訂單數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)要求高而帶來的冗余存儲，提高了追溯系統(tǒng)的效率。本文可為當前冷鏈食品追溯面臨的困境提供新的思路和解決方案。