[논문 리뷰] Blockchain platform with proof-of-work based on analog Hamiltonian optimisers

Kirill P. Kalinin, Natalia G. Berloff|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 27.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 44인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 기존의 CPU/GPU 채굴 방식 대신 아날로그 해밀토니안 최적화기—특히 양자 앤날링과 게인-소산 시뮬레이터—를 활용하는 블록체인 작업증명(PoW) 메커니즘을 제안한다. 이러한 물리적 플랫폼을 이용해 최적화 문제를 해결함으로써 탈중앙화를 향상시키고 에너지 소비를 줄이며 거래 처리 속도를 향상시키는 것을 목표로 하며, 기존 PoW 시스템에 비해 확장 가능하고 안전한 대안을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 현재 블록체인 작업증명 시스템에서의 탈중앙화와 높은 에너지 소비 문제를 해결하기 위해.
• 물리적 양자 및 아날로그 최적화 플랫폼을 블록체인 합의 기반으로 사용할 수 있는지 탐색하기 위해.
• 탈중앙화와 거래 속도를 향상시키면서도 보안성을 유지하는 새로운 PoW 모델을 제안하기 위해.
• 고전적 채굴 방식에 비해 양자 앤날링과 게인-소산 시뮬레이터가 실용적인 대안이 될 수 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 고전적 CPU/GPU 기반 PoW를 아날로그 해밀토니안 최적화기(예: D-Wave 양자 앤날링기 및 게인-소산 시뮬레이터 포함)에서 수행되는 계산으로 대체한다.
• 해밀토니안 진화의 물리적 과정을 이용해 PoW 도전 과제가 되는 최적화 문제를 해결한다.
• 채굴자가 자신의 하드웨어를 통해 글로벌 최적화 문제를 해결하는 데 기여하는 합의 기반 메커니즘을 도입하며, 성공적인 솔루션 제출에 따라 보상을 부여한다.
• 최적화기의 내재된 물리적 특성을 활용해 계산 난이도를 보장하고 위조 공격에 저항한다.
• 최적화 문제의 유효한 솔루션만 수락되도록 시스템을 설계하여 블록체인의 무결성을 유지한다.
• 솔루션 검증 과정을 블록체인의 합의 레이어에 통합하여 신뢰할 수 없는 검증을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 아날로그 해밀토니안 최적화기는 블록체인 작업증명의 기초로 효과적으로 사용될 수 있는가?
• RQ2 이 접근 방식은 고전적 PoW와 비교해 탈중앙화와 에너지 효율성 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ3 양자 및 아날로그 최적화기를 합의에 사용할 경우 성능과 확장성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이러한 플랫폼의 물리적 성격이 탈중앙화를 방지하고 블록 생성의 공정성을 보장할 수 있는가?
• RQ5 고전적 해시 함수를 물리적 최적화 과정으로 대체할 경우 보안에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 아날로그 해밀토니안 최적화기를 기반으로 한 제안된 PoW 메커니즘은 고전적 PoW 시스템에 비해 에너지 소비를 크게 줄일 수 있다.
• D-Wave 양자 앤날링기 및 게인-소산 시뮬레이터와 같은 물리적 하드웨어를 활용함으로써 다양한 하드웨어의 접근 장벽이 낮아져 탈중앙화 수준이 향상될 수 있다.
• 각 블록당 계산 부담을 줄임으로써 거래 확인 시간을 단축시킬 수 있어 현재 블록체인 시스템의 핵심 병목 현상을 해결한다.
• 물리적 최적화 과정을 도입함으로써 고전적 사전 계산 공격에 저항하는 새로운 형태의 계산 난이도가 도입된다.
• 복잡한 최적화 문제를 해결하는 데 필요한 물리적 난이도에 기반함으로써, 양자 공격 조건 하에서도 강력한 보안 보장을 유지한다.
• 기존 블록체인 아키텍처와의 통합이 가능하며 스마트 계약과 탈중앙화 애플리케이션을 지원할 수 있도록 확장 가능하다.