区块链是一种去中心化的分布式账本平台,作为分布式数据存储、对等网络、共识机制、密码算法等技术的集成,具有去中心化、可溯源、不可篡改等特点。近些年来,应用场景多元化的需求助推了区块链技术的迅速发展,逐步诞生了以比特币、以太坊、超级账本为代表的区块链平台,其系统安全性主要由经典密码学中基于大数分解或是离散对数问题的公钥密码算法和哈希函数提供保障。然而,随着量子计算机的问世,上述主流区块链平台均面临着以Shor算法和Grover算法为代表的量子计算的攻击威胁,对区块链数据安全造成重大隐患,是制约着区块链面向多场景应用的重要问题。针对经典区块链技术面临量子计算的攻击问题,通常采用两种方法:基于后量子算法的区块链或基于量子特性的量子区块链,但前者仍基于计算安全性。本文采用第二种方案,针对基于量子密钥分发的区块链进行研究,提出一种基于量子密钥分发的签名方案和拜占庭容错共识机制,并对区块链架构进行重新设计,确保区块链平台能够安全可靠地运行。主要研究内容如下:1.针对公钥数字签名存在的安全隐患问题,本文提出一种基于量子密钥分发（Quantum Key Distribution,QKD）和多线性哈希函数族的MH-USS（Multilinear HashUnconditionally Secure Signature）签名方案。该方案通过QKD网络进行量子密钥分发,通过经典网络传输消息和签名等信息,并采用简化后的USS（Unconditionally Secure Signature）签名方案作为主要框架,结合多重线性哈希函数族,建立MH-USS签名方案,该方案中的签名具备不可伪造性、不可抵赖性以及可传递性,并且本方案可在现有设备上实现,有较高实用价值。2.针对经典拜占庭容错共识机制PBFT共识效率相对较低的问题,本文提出一种QS-BFT（Quantum Secured-Byzantine Fault Tolerance）共识机制。通过增设“快速-标准”双共识模式以及允许节点对空区块投票等方式,减少系统通信次数并避免视图转换过程,使方案不仅具备安全性与活性,还能够有效减少消息复杂度,提高共识效率。对本方案进行仿真实现与性能测试,结果表明,与改进后基于MH-USS签名方案的PBFT共识机制相比,本方案吞吐量更高、时延更低。3.设计并实现采用上述方案的原型系统。首先进行区块链架构设计,以MH-USS签名方案和QS-BFT共识机制为核心,分别对区块链的数据层、网络层以及共识层进行详细设计。其次对本系统的设计方案进行具体实现。最后进行性能测试和对比,结果表明,本文提出的签名方案和共识机制具有可行性,本文实现的区块链原型系统相比传统区块链系统,能够抵御量子计算攻击的同时具有更高的效率。