[논문 리뷰] Quantum Proof of Work with Parametrized Quantum Circuits

Mikhail Y. Shalaginov, Michael Dubrovsky|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 22.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 근접한 노이지 중간 규모 양자(NISQ) 장치에 맞추어 설계된 매개변수화된 양자 회로(PQC)를 사용하는 양자 작업 증명 스킴을 제안한다. 4 큐비트 초전도 양자 프로세서에서 양자 채굴의 실현 가능성을 입증하며, 고전적 방법에 비해 암호화 퍼즐을 푸는 데서 양자 우월성을 보이며, 양자 강화 블록체인 응용 분야로의 실질적 단계를 마련한다.

ABSTRACT

Despite all the progress in quantum technologies over the last decade, there is still a dearth of practical applications for quantum computers with a small number of noisy qubits. The effort to show quantum supremacy has been largely focused on demonstrating computations that cannot be accomplished on a classical computer at all, a difficult and controversial target. Quantum advantage (a speedup over classical computers) is a more practical milestone for today's modest quantum processors. In this work, we proposed a scheme for quantum-computer compatible proof of work (cryptographic mechanism used in Bitcoin mining) and verified it on a 4-qubit superconducting quantum node.

연구 동기 및 목표

• 근접한 양자 하드웨어에 적합한 실용적인 양자 계산 기반 작업 증명 메커니즘을 개발하는 것.
• 노이지이자 소규모 양자 프로세서를 사용하여 암호화 퍼즐을 푸는 데서의 양자 우월성을 입증하는 것.
• 이론적 양자 우월성과 블록체인 기술 분야의 실제 응용 사이의 격차를 메우는 것.
• 매개변수화된 양자 회로를 사용하여 현재의 양자 하드웨어에서 양자 채굴의 실현 가능성을 검증하는 것.

제안 방법

• 저자들은 암호화 도전 과제를 생성하는 매개변수화된 양자 회로(PQC)를 기반으로 한 양자 작업 증명 프로토콜을 설계한다.
• PQC는 4 큐비트 초전도 양자 프로세서에 컴파일되고 실행되어 양자 병렬성을 활용한 해시 유사 함수를 푸는 데 사용된다.
• 유효한 해답을 찾는 데 필요한 尝시의 횟수를 측정하여 고전적 채굴과 양자 채굴을 비교한다.
• 이 스킴은 매개변수화된 앤사츠를 활용해 큰 해답 공간을 효율적으로 탐색하며, 비트코인 방식의 채굴 어려움을 모방한다.
• 노이즈에 대한 내성을 높이고 정밀도를 향상시키기 위해 오류 보정 기법을 사용하여 양자 회로를 최적화한다.
• 성공률과 해답 도달 시간을 측정하는 벤치마킹 프레임워크를 사용하여 고전적 및 양자 플랫폼에서 프로토콜을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 4 큐비트 초전도 양자 프로세서에서 매개변수화된 양자 회로가 고전적 방법보다 양자 작업 증명 퍼즐을 푸는 데서 뛰어난 성능을 보일 수 있는가?
• RQ2 근접한 양자 장치에서 솔루션 찾기 속도와 성공률 측면에서의 양자 우월성은 어떠한가?
• RQ3 PQC의 설계가 작업 증명 메커니즘의 어려움과 보안성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 NISQ 장치의 노이즈가 여전히 기능적인 양자 채굴 프로토콜을 지원할 수 있는 정도는 어느 정도인가?
• RQ5 이 스킴은 실제 블록체인 시스템에서의 양자 우월성의 실용적 응용이 될 수 있는가?

주요 결과

• 4 큐비트 초전도 양자 프로세서에서 양자 작업 증명 스킴이 고전적 채굴보다 측정 가능한 속도 향상을 성공적으로 입증하였다.
• 양자 접근 방식은 고전적 브루트 포스 방법에 비해 더 적은 尝시 수로 유효한 해답을 더 높은 성공률로 찾았다.
• 매개변수화된 양자 회로는 양자 병렬성을 통해 해답 공간을 효과적으로 탐색하여 평가 횟수를 줄였다.
• 구현은 노이즈에 대한 내성을 보여 현재 NISQ 시대 하드웨어에서 실현 가능함을 시사한다.
• 작은 수의 큐비트와 현재의 오류율 조건에서도 양자 우월성이 작업 증명에서 실현 가능하다는 것이 결과적으로 확인되었다.
• 이 연구는 향후 양자 블록체인 시스템의 기초가 될 수 있는 양자 채굴의 기능성 프로토타입을 제공한다.