[论文解读] Blockchain platform with proof-of-work based on analog Hamiltonian optimisers

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

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 44被引用 9

一句话总结

本文提出了一种新颖的区块链工作量证明（PoW）机制，该机制利用模拟哈密顿优化器——具体为量子退火和增益-耗散模拟器——而非传统的CPU/GPU挖矿。通过使用这些物理平台求解优化问题，该方法旨在提升去中心化程度，降低能耗，并提高交易吞吐量，为当前PoW系统提供一种可扩展且安全的替代方案。

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.

研究动机与目标

• 解决当前区块链工作量证明系统中存在的中心化和高能耗问题。
• 探索利用物理量子与模拟优化平台作为区块链共识基础的可行性。
• 提出一种新型PoW模型，以增强去中心化程度和交易速度，同时保持安全性。
• 评估量子退火和增益-耗散模拟器作为经典挖矿实际替代方案的潜力。

提出的方法

• 用在模拟哈密顿优化器（如D-Wave量子退火器和增益-耗散模拟器）上执行的计算，替代基于经典CPU/GPU的PoW。
• 利用哈密顿演化这一物理过程，求解作为PoW挑战的优化问题。
• 引入一种共识机制，矿工通过其硬件共同参与求解全局优化问题，奖励根据成功提交的解决方案确定。
• 依赖优化器的内在物理特性，确保计算难度并抵抗伪造攻击。
• 设计系统使得仅有效求解优化问题的解才能被接受，从而维护区块链的完整性。
• 将解决方案验证过程集成至区块链的共识层，确保无需信任的验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 模拟哈密顿优化器能否有效用作区块链工作量证明的基础？
• RQ2 与经典PoW相比，该方法在去中心化和能效方面表现如何？
• RQ3 使用量子与模拟优化器进行共识的性能与可扩展性影响是什么？
• RQ4 这些平台的物理特性能否防止中心化并确保区块生成的公平性？
• RQ5 用物理优化过程替代经典哈希运算，其安全影响是什么？

主要发现

• 基于模拟哈密顿优化器的新型PoW机制相比经典PoW系统，有潜力显著降低能耗。
• 通过利用D-Wave量子退火器和增益-耗散模拟器等物理硬件，由于硬件参与门槛较低，系统可实现更高的去中心化程度。
• 该方法通过减轻每区块的计算负担，实现更快的交易确认时间，解决了当前区块链系统中的关键瓶颈。
• 使用物理优化过程引入了一种新型计算难度，对经典预计算攻击具有天然抗性。
• 该方法通过依赖求解复杂优化问题的物理难度，即使在量子威胁下也能维持强大的安全保证。
• 该模型支持与现有区块链架构的集成，且可扩展以支持智能合约和去中心化应用。