[논문 리뷰] Quantum-enhanced Logic-based Blockchain I: Quantum Honest-success Byzantine Agreement and Qulogicoin

Xin Sun, Quanlong Wang외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 17.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 31인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 기존 양자 보안 블록체인보다 효율성과 기능성을 향상시키기 위해 고전적 비잔틴 합의를 새로운 양자 진실성 성공 비잔틴 합의(QBA) 프로토콜로 대체하고, 거래 문법에 양자 보호 및 양자 인증서를 통합함으로써 양자 강화 논리 기반 블록체인(QLB)을 소개한다. 주요 기여는 현재의 양자 기술을 사용하여 구현 가능한 실용적 프레임워크를 제공함으로써, 안전하고 효율적이며 강력한 블록체인 거래를 가능하게 한다. 이는 유명한 양자 비트 기부 프로토콜의 오랜 제약을 해결함으로써 입증된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 합의 및 거래 문법에 양자 기술을 통합하여 더 효율적이고 강력한 블록체인을 설계하기 위해.
• 고전적 및 기존의 양자 블록체인의 비효율성과 기능 제한을 극복하기 위해.
• 블록체인 기반 강제 조치를 통해 도용 감지 가능 양자 비트 기부 프로토콜의 치명적인 결함을 해결하기 위해.
• 다중 입자 얽힘을 요구하지 않고 현재 존재하는 양자 기술을 사용하여 실용적이고 실행 가능한 프레임워크를 개발하기 위해.
• 양자 보안과 논리 기반 거래 검증을 융합하여 더 스마트하고 규제 가능성이 높은 블록체인을 마련하기 위해.

제안 방법

• 양자 보안 채널과 양자 키 분배에서 유도된 비밀 키를 사용하여 분산 네트워크에서 합의를 단순화하는 새로운 양자 진실성 성공 비잔틴 합의(QBA) 프로토콜을 제안한다.
• 양자 강화 논리 기반 블록체인(QLB)에 맞는 새로운 암호화폐인 qulogicoin을 도입하여 안전하고 추적 가능한 디지털 거래를 가능하게 한다.
• 거래 문법에 양자 보호 및 양자 인증서를 통합하여, 거래가 특정 양자 상태 검증 조건을 충족할 경우에만 조건부로 실행되도록 한다.
• 양자 채널에서 유도된 비밀 키를 사용한 Toeplitz 해싱을 활용하여 거래를 인증하고 위조를 방지한다.
• 기본적으로 QLB의 보호된 거래를 통해 강제되는 양자 비트 기부 프로토콜을 사용하며, 양자 검증을 통해 책임성을 확보한다.
• 특정 양자 조건(예: 균형 임의의 큐비트 시퀀스, 올바른 측정 기저)이 검증될 경우에만 실행되는 보호된 거래를 설계하여 도용에 대한 제재를 시행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 프로토콜보다 더 단순하고 효율적이면서도 보안성과 진실성을 유지할 수 있는 양자 비잔틴 합의 프로토콜을 설계할 수 있는가?
• RQ2 양자 보호 및 양자 인증서를 블록체인 거래 문법에 공식적으로 통합하여 양자 성질 검증이 가능하게 할 수 있는가?
• RQ3 블록체인 기반 스마트 계약을 통해 도용 감지 가능 양자 비트 기부 프로토콜의 내재된 취약성을 블록체인 기술이 보완할 수 있는가?
• RQ4 다중 입자 얽힘을 요구하지 않고 현재 이용 가능한 양자 기술만을 사용하여 양자 강화 블록체인을 구현하는 것이 가능한가?
• RQ5 양자 보안과 논리 기반 검증의 조합이 더 안전하고 효율적이며 규제 가능한 블록체인 시스템을 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 양자 진실성 성공 비잔틴 합의 프로토콜은 대부분의 기존 QBA 프로토콜보다 더 단순하고 효율적이며, 분산 네트워크에서 더 빠른 합의를 가능하게 한다.
• 거래 문법에 양자 보호 및 양자 인증서를 통합함으로써 블록체인이 양자 상태 성질 기반 조건을 검증하고 강제할 수 있게 되어 기능성이 크게 향상된다.
• 조건부 거래 규칙를 통해 양자 검증 결과에 따라 의존하는 방식으로, 블록체인은 양자 비트 기부 프로토콜에서의 도용에 대한 제재를 시행할 수 있다.
• QLB를 통해 기각된 조건이 검증 가능한 양자 조건에 바인딩됨으로써, 기존에 간과되었던 도용 감지 가능 양자 비트 기부 프로토콜의 오랜 결함을 극복할 수 있다.
• 블록체인에 필요한 모든 양자 기술—양자 키 분배, 단일 큐비트 연산, 측정 기반 검증—은 현재 실험실과 산업에서 모두 이용 가능하여 기존 하드웨어로 시스템을 구현할 수 있다.
• 양자 보호를 공식화하기 위해 동적 논리의 사용은 실현 가능하며 향후 작업으로 남겨졌으며, 이는 프레임워크가 공식 검증 및 논리 기반 시스템과의 통합 가능성을 시사한다.