[论文解读] Self-Reproducing Coins as Universal Turing Machine

Alexander Chepurnoy, Vasily Kharin+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2018

Computability, Logic, AI Algorithms参考文献 7被引用 4

一句话总结

本文证明，通过使用交易链来模拟递归计算，可以在不使用循环或递归的情况下实现区块链系统中的图灵完备性。作者仅使用基本位操作和交易状态转换，在UTXO模型中实现规则110元胞自动机，构建了一个自复制系统，通过交易演化而非语言级特性来模拟通用图灵机，从而证明了图灵完备性。

ABSTRACT

Turing-completeness of smart contract languages in blockchain systems is often associated with a variety of language features (such as loops). In opposite, we show that Turing-completeness of a blockchain system can be achieved through unwinding the recursive calls between multiple transactions and blocks instead of using a single one. We prove it by constructing a simple universal Turing machine using a small set of language features in the unspent transaction output (UTXO) model, with explicitly given relations between input and output transaction states. Neither unbounded loops nor possibly infinite validation time are needed in this approach.

研究动机与目标

• 证明区块链系统中的图灵完备性可以在不依赖循环或递归语言构造的情况下实现。
• 证明基于UTXO的智能合约系统可以仅通过交易级状态转换来模拟通用图灵机。
• 证明复杂计算可从简单、有状态的交易链中涌现，且无需无界验证时间。
• 在保守的区块链脚本语言中提供一个最小化且形式化验证的通用计算模型实现。

提出的方法

• 仅使用基本位操作、比较和数组索引在基于UTXO的脚本语言中构建规则110元胞自动机。
• 将自动机的每一步建模为单个交易，通过显式状态转换将输入状态转换为输出状态。
• 使用交易输入和输出表示自动机一维网格中的相邻位，位置和值元数据存储在输出负载中。
• 通过必要时的合成输入模拟网格边缘的零值位来处理边界。
• 通过验证脚本强制校验输入/输出位置、值以及交易间结构的一致性。
• 使用交易链模拟无限计算序列，其中每个交易对应通用图灵机的一个步骤。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不依赖循环或递归函数调用的情况下实现区块链系统中的图灵完备性？
• RQ2 如何仅通过UTXO模型中的交易级状态转换来模拟通用图灵机？
• RQ3 在区块链环境中，实现图灵完备性所需的最简语言特性集合是什么？
• RQ4 自复制交易系统能否在保持区块验证时间有界的同时模拟无界计算？

主要发现

• 作者成功使用UTXO脚本语言中的基本操作实现了规则110，一个已被证明是通用的元胞自动机。
• 图灵完备性并非通过语言级特性（如循环或跳转）实现，而是通过模拟递归计算的交易序列链实现。
• 该系统每笔交易的验证时间保持有界，避免了传统图灵完备智能合约系统中常见的停机问题。
• 验证脚本确保了状态转换、位置对齐以及交易输入输出间结构一致性的正确性。
• 该方法表明，即使在无循环或递归的保守区块链语言中，也能通过交易级状态演化实现通用计算。