[論文レビュー] When Quantum Information Technologies Meet Blockchain in Web 3.0

Minrui Xu, Xiaoxu Ren+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2022

Blockchain Technology Applications and Security被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、量子暗号と量子ディープラーニングを統合することで、情報理論的セキュリティと分散型NFT取引における最適収益を達成する、量子ブロックチェーン駆動型Web 3.0フレームワークを提案する。量子鍵配送、量子ハッシュ関数、および量子ニューラルネットワークベースの最適オークション（QDLA）を活用することで、証明可能な安全なデータ送信と市場流動性の向上を実現し、実験ではQDLAがパrameter数を減らしても古典的ディープラーニングと同等の収益を達成することが示された。

ABSTRACT

With the drive to create a decentralized digital economy, Web 3.0 has become a cornerstone of digital transformation, developed on the basis of computing-force networking, distributed data storage, and blockchain. With the rapid realization of quantum devices, Web 3.0 is being developed in parallel with the deployment of quantum cloud computing and quantum Internet. In this regard, quantum computing first disrupts the original cryptographic systems that protect data security while reshaping modern cryptography with the advantages of quantum computing and communication. Therefore, in this paper, we introduce a quantum blockchain-driven Web 3.0 framework that provides information-theoretic security for decentralized data transferring and payment transactions. First, we present the framework of quantum blockchain-driven Web 3.0 with future-proof security during the transmission of data and transaction information. Next, we discuss the potential applications and challenges of implementing quantum blockchain in Web 3.0. Finally, we describe a use case for quantum non-fungible tokens (NFTs) and propose a quantum deep learning-based optimal auction for NFT trading to maximize the achievable revenue for sufficient liquidity in Web 3.0. In this way, the proposed framework can achieve proven security and sustainability for the next-generation decentralized digital society.

研究の動機と目的

• 古典的ブロックチェーンがショアのアルゴリズムやグローバーのアルゴリズムによる攻撃に対して脆弱であるのを是正すること。
• 将来の攻撃に対しても耐性を持つ量子ブロックチェーンフレームワークを設計し、Web 3.0における長期的データセキュリティを実現すること。
• 量子コンSENSUSと量子状態検証を用いて、安全で分散型のデジタルアイデンティティと量子非代替的トークン（QNFT）を実現すること。
• 個人の合理性と支配戦略インcentive適合性を保証しながら、NFT市場における収益を最大化するインcentiveメカニズムを設計すること。
• 量子ディープラーニングがモデルの複雑さを低減しつつ、最適オークションの成果を達成できるかどうかを実証すること。

提案手法

• 情報理論的セキュリティを実現するため、Web 3.0における通信に量子鍵配送（QKD）とワンタイムパッド暗号を統合する。
• ブロックチェーン取引とデジタルアイデンティティのセキュリティ強化に、量子ハッシュ関数と量子署名アルゴリズムを用いる。
• 信頼性のない環境下でも量子セキュアにQNFTの作成と配布を検証できる、量子委任型プルーフ・オブ・ステーク（QDPoS）コンセンサスメカニズムを採用する。
• 量子非代替的トークン（QNFT）はエンタングルド量子状態としてエンコードされ、最初のキュービットにUGCメタデータを、2番目のキュービットに一意性を保証するランダム位相を格納する。
• 古典的ニューラルネットワークの代わりに、量子回路（AngleEmbeddingおよびBasicEntanglerレイヤー）を用いた量子ディープラーニングベースの最適オークション（QDLA）を導入し、NFTの価格設定と割り当てを最適化する。
• 入札処理には長短期記憶（LSTM）ノードを用い、出力として価格ルールと割り当て確率を求めるためにReLUおよびソフトマックス関数を適用する。

Figure 1: An illustration of quantum blockchain-related research activities.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分散型Web 3.0システムに対して情報理論的セキュリティを提供できるように、量子ブロックチェーンをどのようにアーキテクチャ設計できるか？
• RQ2 将来のデータ保護のための量子暗号をブロックチェーンに統合するにあたり、主な課題と応用分野は何か？
• RQ3 量子ディープラーニングは、モデルパラメータ数を減らしても、古典的ディープラーニングを上回ってNFTオークションの最適化に効果を発揮できるか？
• RQ4 QDPoSのような量子コンセンサスメカニズムは、安全でスケーラブルなQNFT発行と検証をどのように保証できるか？
• RQ5 提案されたQDLAは、個人の合理性と支配戦略インcentive適合性を維持しながら、どの程度収益最大化を達成できるか？

主な発見

• QDLAは、古典的ディープラーニングベースのオークション（DLA）と同等の期待収益を達成し、収益最適化の有効性を示した。
• パrameter数を減らしても（古典的層で4つのLSTMユニットと16個の隠れユニット、量子回路で4キュービットと6層）、QDLAは大規模なDLAと同等の収益性能を示した。
• 最適効用からの逸脱を測るレグレット指標は、DLAとQDLAの両方でゼロに近づき、支配戦略インcentive適合性の適切な実装が確認された。
• QDLAはDLAに比べてより高いロバストネスを示し、オークション結果の一般化能力と安定性が向上していることが示唆された。
• 提案された量子ブロックチェーンフレームワークは、量子セキュアなNFTと分散型アイデンティティシステムを含む、安全でスケーラブルかつ持続可能なWeb 3.0サービスの実現を可能にした。
• 実験結果から、量子ブロックチェーンが大規模な量子コンピュータの脅威に対しても、古典的暗号の仮定を超えた長期的セキュリティを提供できることが確認された。

Figure 2: The framework of quantum blockchain-driven Web 3.0