[論文レビュー] Quantum-enhanced Logic-based Blockchain I: Quantum Honest-success Byzantine Agreement and Qulogicoin

Xin Sun, Quanlong Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|May 17, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 31被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、古典的ビザンチン合意を独創的な量子誠実成功ビザンチン合意（QBA）プロトコルに置き換え、取引構文に量子保護および量子証明書を埋め込むことで、既存の量子セキュアブロックチェーンを上回る効率性と機能性を実現する量子強化論理ベースブロックチェーン（QLB）を提案する。主な貢献は、現在の量子技術を用いて実装可能な実用的フレームワークを提供し、安全で効率的かつ強力なブロックチェーン取引を可能にすることであり、これは、詐欺感受性量子ビットコミットメントプロトコルにおける長年の制限を解決することで実証されている。

ABSTRACT

We proposed a framework of quantum-enhanced logic-based blockchain, which improves the efficiency and power of quantum-secured blockchain. The efficiency is improved by using a new quantum honest-success Byzantine agreement protocol to replace the classical Byzantine agreement protocol, while the power is improved by incorporating quantum protection and quantum certificate into the syntax of transactions. Our quantum-secured logic-based blockchain can already be implemented by the current technology. The cryptocurrency created and transferred in our blockchain is called qulogicoin. Incorporating quantum protection and quantum certificates into blockchain makes it possible to use blockchain to overcome the limitations of some quantum cryptographic protocols. As an illustration, we show that a significant shortcoming of cheat-sensitive quantum bit commitment protocols can be overcome with the help of our blockchain and qulogicoin.

研究の動機と目的

• 合意形成と取引構文に量子技術を統合することで、より効率的かつ強力なブロックチェーンを設計すること。
• 古典的および既存の量子ブロックチェーンの非効率性と機能制限を克服すること。
• ブロックチェーンベースの実行による罰則を用いて、詐欺感受性量子ビットコミットメントプロトコルにおける重要な欠陥を是正すること。
• マルチ粒子もつれを必要とせず、現在利用可能な量子技術を用いた実装可能なフレームワークを開発すること。
• 量子セキュリティと論理ベースの取引検証を組み合わせることで、より知的で、より制御可能なブロックチェーンの基盤を築くこと。

提案手法

• 量子鍵配送から得られる量子セキュアチャネルおよび秘密鍵を用いて、分散ネットワークにおける合意形成を簡素化する新しい量子誠実成功ビザンチン合意（QBA）プロトコルを提案する。
• 量子強化論理ベースブロックチェーン（QLB）に特化した新しい暗号通貨「qulogicoin」を導入し、安全で追跡可能なデジタル取引を可能にする。
• 取引構文に量子保護および量子証明書を埋め込み、取引が量子状態の検証に基づいて条件付き実行可能であるようにする。
• 量子チャネルから得た秘密鍵を用いた Toeplitz ハッシュを用いて取引を認証し、偽造を防止する。
• コミットメントが QLB 上の保護された取引を通じて強制される量子ビットコミットメントプロトコルを採用し、量子検証による責任の追及を保証する。
• 特定の量子条件（例：バランス・ユニフォームな量子ビット列、正しい測定基底）が検証された場合にのみ実行される保護された取引を設計し、不正行為に対する罰則の実行を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 安全性と誠実性を維持しつつ、既存のプロトコルよりも単純かつ効率的な量子ビザンチン合意プロトコルを設計できるか？
• RQ2 量子保護および量子証明書をどのように形式的にブロックチェーン取引構文に統合できるか、量子性質の検証を可能にするか？
• RQ3 スマートコントラクトによる罰則の実行を用いて、ブロックチェーン技術が詐欺感受性量子ビットコミットメントプロトコルの根本的な脆弱性を克服できるか？
• RQ4 マルチ粒子もつれを必要とせず、現在利用可能な量子技術のみを用いて量子強化ブロックチェーンを実装することは可能か？
• RQ5 量子セキュリティと論理ベースの検証の組み合わせにより、より安全で効率的かつ制御可能なブロックチェーンシステムを構築できるか？

主な発見

• 提案された量子誠実成功ビザンチン合意プロトコルは、大多数の既存のQBAプロトコルよりも単純かつ効率的であり、分散ネットワークにおける合意形成を高速化できる。
• 取引構文に量子保護および量子証明書を統合することで、ブロックチェーンが量子状態の性質に基づいた条件の検証と実行を可能とし、機能性が顕著に向上する。
• 条件付き取引ルールをエンコードすることで、量子検証結果に依存する条件付き実行を可能にし、量子ビットコミットメントプロトコルにおける不正行為に対する罰則の実行が可能になる。
• QLB を用いることで、不正な参加者が罰則のない状態で利益を得られるという、詐欺感受性量子ビットコミットメントプロトコルにおける長年の無視された欠陥を、検証可能な量子条件にコミットメントを束縛することによって克服できる。
• ブロックチェーンに必要なすべての量子技術—量子鍵配送、単一量子ビット操作、測定に基づく検証—は、現在の研究機関および産業界で実用可能であり、既存のハードウェアで実装可能である。
• 動的論理による量子保護の形式化は実現可能であり、今後の作業に残されていることから、このフレームワークは形式的検証および論理ベースのシステムとの統合の可能性を示している。