[論文レビュー] Blockchain platform with proof-of-work based on analog Hamiltonian optimisers

Kirill P. Kalinin, Natalia G. Berloff|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2018

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 44被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、従来のCPU/GPUマイニングの代わりにアナログハミルトニアン最適化器—特に量子アニーリングとゲイン・散逸型シミュレータ—を活用する新しいブロックチェーンのプルーフ・オブ・ワーク（PoW）メカニズムを提案する。これらの物理的プラットフォームを用いて最適化問題を解くことで、分散性の向上、エネルギー消費の低減、取引スループットの向上を実現し、現在のPoWシステムに対するスケーラブルで安全な代替手段を提供することを目的としている。

ABSTRACT

The development of quantum information platforms such as quantum computers and quantum simulators that will rival classical Turing computations are typically viewed as a threat to secure data transmissions and therefore to crypto-systems and financial markets in general. We propose to use such platforms as a proof-of-work protocol for blockchain technology, which underlies cryptocurrencies providing a way to document the transactions in a permanent decentralised public record and to be further securely and transparently monitored. We reconsider the basis of blockchain encryption and suggest to move from currently used proof-of-work schemes to the proof-of-work performed by analog Hamiltonian optimisers. This approach has a potential to significantly increase decentralisation of the existing blockchains and to help achieve faster transaction times, therefore, removing the main obstacles for blockchain implementation. We discuss the proof-of-work protocols for a few most promising optimiser platforms: quantum annealing hardware based on D-wave simulators and a new class of gain-dissipative simulators.

研究の動機と目的

• 現在のブロックチェーンのプルーフ・オブ・ワーク（PoW）システムにおける中央集権化と高いエネルギー消費の問題を解決すること。
• 物理的量子およびアナログ最適化プラットフォームをブロックチェーンのコンセンサスの基盤として使用する可能性を検討すること。
• 分散性と取引速度を向上させつつもセキュリティを維持する新しいPoWモデルを提案すること。
• 古典的マイニングの代替手段として、量子アニーリングとゲイン・散逸型シミュレータの実用的潜在能力を評価すること。

提案手法

• 古典的なCPU/GPUベースのPoWを、D-Wave量子アニーリング機やゲイン・散逸型シミュレータなどのアナログハミルトニアン最適化器で実行される計算に置き換える。
• ハミルトニアンの時間発展という物理的プロセスを用いて、PoWチャレンジとしての最適化問題を解く。
• マイナーが自身のハードウェアを通じてグローバルな最適化問題に貢献するコンセンサスメカニズムを導入し、成功した解決策の提出に応じて報酬が支払われる。
• 最適化器の固有の物理的性質に依存して、計算の難易度を保証するとともに、なりすまし攻撃に対する耐性を確保する。
• 最適化問題の有効な解決策のみが受け入れられるようにシステムを設計し、ブロックチェーンの整合性を保つ。
• 解決策の検証プロセスをブロックチェーンのコンセンサス層に統合し、信頼なしでの検証を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アナログハミルトニアン最適化器は、ブロックチェーンのプルーフ・オブ・ワークの基盤として効果的に使用可能か？
• RQ2 このアプローチは、古典的PoWと比較して分散性とエネルギー効率の面でどのように異なるか？
• RQ3 量子およびアナログ最適化器をコンセンサスに使用する場合の性能とスケーラビリティへの影響は何か？
• RQ4 これらのプラットフォームの物理的性質は、ブロック作成における中央集権化を防ぎ、公平性を確保できるか？
• RQ5 古典的ハッシュ関数の代わりに物理的最適化プロセスを採用することで、セキュリティ上の影響は何か？

主な発見

• アナログハミルトニアン最適化器に基づく提案されたPoWメカニズムは、古典的PoWシステムと比較して、エネルギー消費を顕著に削減できる可能性を有する。
• D-Wave量子アニーリング機やゲイン・散逸型シミュレータなどの物理的ハードウェアを活用することで、多様なハードウェアの参入障壁が低くなるため、分散性が高まる。
• 各ブロックあたりの計算負荷を軽減することで、取引の承認速度が向上し、現在のブロックチェーンシステムにおける主要なボトル neck を解消できる。
• 物理的最適化プロセスの使用により、古典的事前計算攻撃に対して本質的に耐性を持つ新たな形の計算難易度が導入される。
• 複雑な最適化問題を解く物理的難易度に依存することで、量子攻撃の下でも強固なセキュリティ保証を維持できる。
• このモデルは既存のブロックチェーンアーキテクチャと統合可能であり、スマートコントラクトや分散型アプリケーションのサポートにも拡張可能である。