[论文解读] Quantum Proof of Work with Parametrized Quantum Circuits

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

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 5

一句话总结

本文提出了一种基于参数化量子线路（PQCs）的量子工作量证明方案，专为近期的含噪声中等规模量子（NISQ）设备设计。该方案在4量子比特超导处理器上实现了量子挖矿的可行性，相较于经典方法在解决密码学难题方面展现出量子优势，标志着向量子增强型区块链应用迈出的实际一步。

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.

研究动机与目标

• 开发一种适用于近期量子硬件的、与量子计算兼容的工作量证明机制。
• 展示在使用含噪声的小规模量子处理器时，解决密码学难题的量子优势。
• 弥合理论上的量子优势与区块链技术实际应用之间的差距。
• 通过参数化量子线路在当前量子硬件上验证量子挖矿的可行性。

提出的方法

• 作者设计了一种基于参数化量子线路（PQCs）的量子工作量证明协议，用于生成密码学挑战。
• 将PQC编译并在4量子比特超导量子处理器上执行，利用量子并行性求解类似哈希的函数。
• 通过测量找到有效解所需的尝试次数，对比经典挖矿与量子挖矿的性能。
• 该方案利用参数化ansatz高效探索大规模解空间，模拟比特币式挖矿的难度。
• 对量子线路进行噪声鲁棒性优化，并采用错误缓解技术以提高保真度。
• 使用基准测试框架评估协议在经典与量子平台上的成功率和求解时间。

实验结果

研究问题

• RQ1 在4量子比特超导处理器上，参数化量子线路能否在解决量子工作量证明难题方面优于经典方法？
• RQ2 对于近期的量子设备，其在解题速度和成功率方面的量子优势具体体现在何处？
• RQ3 PQC的设计如何影响工作量证明机制的难度与安全性？
• RQ4 NISQ设备中的噪声在多大程度上仍能支持功能性量子挖矿协议？
• RQ5 该方案能否作为现实世界区块链系统中量子优势的实际应用？

主要发现

• 量子工作量证明方案在4量子比特超导量子处理器上成功实现了相对于经典挖矿的可测量加速。
• 与经典暴力破解方法相比，量子方法在更少的尝试次数内实现了更高的有效解发现成功率。
• 参数化量子线路通过量子并行性有效探索了解空间，显著减少了所需评估次数。
• 该实现表现出对噪声的鲁棒性，表明其在当前NISQ时代硬件上的可行性。
• 结果证实，即使在少量量子比特和当前错误率下，工作量证明中的量子优势依然可实现。
• 本研究提供了一个可运行的量子挖矿原型，可作为未来量子区块链系统的基础。