[论文解读] Quantum-enhanced Logic-based Blockchain I: Quantum Honest-success Byzantine Agreement and Qulogicoin

Xin Sun, Quanlong Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|May 17, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 31被引用 10

一句话总结

本文提出了一种量子增强的基于逻辑的区块链（QLB），通过用新型量子诚实成功拜占庭协议（QBA）替代经典拜占庭协议，并将量子保护与量子证书嵌入交易语法，从而在效率和功能上优于现有量子防护区块链。其核心贡献是一个实用且可实现的框架，利用现有量子技术实现安全、高效且强大的区块链交易，通过解决长期存在的欺骗敏感型量子比特承诺协议中的局限性得以验证。

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.

研究动机与目标

• 通过将量子技术整合到共识机制与交易语法中，设计一种更高效、更强大的区块链。
• 克服经典及现有量子区块链在效率与功能上的不足。
• 通过基于区块链的执行机制，解决欺骗敏感型量子比特承诺协议中的关键缺陷。
• 开发一个基于现有量子技术的实用、可实现框架，避免依赖多粒子纠缠。
• 通过结合量子安全与基于逻辑的交易验证，为更智能、更可调控的区块链奠定基础。

提出的方法

• 提出一种新型量子诚实成功拜占庭协议（QBA），利用量子安全信道与来自量子密钥分发的密钥，简化去中心化网络中的共识机制。
• 引入 qulogicoin 作为量子增强逻辑区块链（QLB）原生加密货币，支持安全、可追溯的数字交易。
• 将量子保护与量子证书嵌入交易语法，使交易可根据量子态验证结果有条件执行。
• 使用基于量子信道密钥的 Toeplitz 哈希对交易进行认证，防止伪造。
• 采用量子比特承诺协议，通过 QLB 上的受保护交易强制执行承诺，利用量子验证确保问责性。
• 设计受保护交易，仅在特定量子条件（如平衡-均匀的量子比特序列、正确测量基）经验证后才执行，从而实现对欺骗行为的惩罚机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种量子拜占庭协议，使其在保持安全与诚实的前提下，比现有协议更简单、更高效？
• RQ2 如何正式将量子保护与量子证书集成到区块链交易语法中，以实现对量子特性的验证？
• RQ3 区块链技术能否通过智能合约强制执行惩罚机制，克服欺骗敏感型量子比特承诺协议的固有脆弱性？
• RQ4 是否可行仅使用现有量子技术实现量子增强区块链，而无需依赖多粒子纠缠？
• RQ5 量子安全与基于逻辑的验证相结合，能否实现更安全、更高效且更可调控的区块链系统？

主要发现

• 所提出的量子诚实成功拜占庭协议在复杂度与效率上优于大多数现有 QBA 协议，显著加快去中心化网络中的共识速度。
• 将量子保护与量子证书嵌入交易语法，使区块链能够验证并强制执行基于量子态特性的条件，显著增强系统功能。
• 通过编码依赖于量子验证结果的条件交易规则，该框架可实现对量子比特承诺协议中欺骗行为的惩罚机制。
• 区块链可通过将承诺绑定到可验证的量子条件，克服欺骗敏感型量子比特承诺协议中长期被忽视的缺陷——即不诚实方可利用缺乏可执行后果的漏洞。
• 实现该区块链所需的所有量子技术——包括量子密钥分发、单量子比特操作与基于测量的验证——目前在实验室与工业界均已可用，表明该系统可基于现有硬件实现。
• 使用动态逻辑形式化量子保护在技术上是可行的，且留待未来工作，表明该框架具备形式化验证与与基于逻辑系统集成的潜力。