インサイダーブリーフ
- D-Waveの研究者は、量子コンピューターを使用して量子作業の実証と呼ばれる新しいコンセンサス方法を通じてマイニングを実行するブロックチェーンプロトタイプを開発およびテストしました。
- このシステムは、エネルギー集約型の古典的なマイニングを、古典的なマシンでは実行不可能な量子計算に置き換え、4つの量子プロセッサで安定した動作を実現します。
- 実験結果は、ブロックチェーンが維持されたコンセンサスを維持し、最大75％のマイニング効率に達し、スケーラブルでエネルギー効率の高いブロックチェーンインフラストラクチャへの潜在的な経路を示しています。
のチーム D-Wave 研究者は、量子コンピューターを使用してのみ採掘できるブロックチェーンを構築およびテストし、ブロックチェーンテクノロジーにおける量子優位性の最初の現実世界アプリケーションをマークしています。
プリプリントサーバーで公開されているこの調査 arxiv、エネルギー集約的な古典的な「仕事の証明」を「量子作業の実証」と呼ばれる新しいコンセンサスメカニズムに置き換えるプロトタイプブロックチェーンシステムの概要を説明します。このアプローチでは、古典的なマシンが効率的に処理できない複雑な問題を解決するために量子コンピューターが必要であり、現在のリソースを持つ量子システムでのみマイニングが実行可能になります。
「量子作業の証明（POQ）が量子コンピューターで実行されるブロックチェーンアーキテクチャを提案し、成功裏にテストしました」と著者は書いています。 「私たちのアプローチでは、量子ハードウェアの能力に応じてさまざまなレベルの複雑さを備えた複数の量子ベースのハッシュ生成方法を導入します。量子ハッシュ生成と検証の固有の確率的性質に対処するために、量子ハッシュアルゴリズムの避けられない特性に対処するために、ブロックチェーンの安定性を確保するための技術を開発しました。」
彼らのプロトタイプは、北米の4つの地理的に分布したD波量子プロセッサに遭遇し、量子計算を完全に駆動するブロックチェーンが数十万のハッシュ操作で安定に機能する可能性があることを示しています。
ブロックチェーンマイニングのシフト
仕事の証明は、コンピューターが新しいデータを追加する前に困難なパズルを解決するように要求することにより、ブロックチェーンを保護する方法です。これにより、誰にとってもチートが非常に困難になります。なぜなら、そうすることは大量のコンピューティングパワーと電気を必要とするからです。
問題があるのはその最後のビットです。従来のブロックチェーン、特に仕事の証明（POW）を使用するビットコインのようなものは、エネルギーの過剰な使用のために広範な批判を引き出しました。調査によると、ビットコインマイニングだけでは、2024年に176時間近くの電力を消費すると予測されています。これは、スウェーデンの年間消費量を超えています。
研究者は、量子作業アプローチの証拠がそれを変える可能性があることを示唆しています。量子計算は、まだ高価ですが、パウマイニングと比較してエネルギーの一部を消費します。研究者は、システムでのエネルギー使用量は量子計算のコストのわずか0.1％であると推定しており、POQは古典的な採掘よりも1,000倍のエネルギー効率を高める可能性があると研究者は述べています。
量子ブロックチェーンは、古典的な捕虜の別の重要な制限であるスケーラビリティも解決します。量子ブロックチェーンは、量子計算に固有の不確実性の下であっても、より高いマイニング効率と安定したコンセンサスを達成します。
このシステムは、量子操作を標準のブロックチェーンフレームワークに統合し、ビットコインのアーキテクチャを最小限に抑えます。
量子ブロックチェーンの仕組み
この量子ブロックチェーンは、強力なGPUまたはASICを使用してブルートフォースの暗号化パズルを解決してレースをする代わりに、量子コンピューターを使用して、確率的量子メカニズムを使用して一意のハッシュを生成します。このプロセスには、データを量子システムにエンコードし、進化し、そのシステムの特性を測定してハッシュを生成することが含まれます。これらの測定値は本質的に確率的であり、サンプリングエラーとハードウェアノイズを説明するためのメカニズムが必要です。
量子転帰の信頼性に対処するために、研究者は「確率的検証」を導入しました。マイナーとバリデーターの両方が統計信頼レベルを使用して、特定の量子ハッシュが有効かどうかを評価します。 「信頼ベースのチェーンワーク」と呼ばれる新しいパラメーターは、量子出力がどれほど信頼できるかに基づいて、知覚されるマイニングの取り組みを調整します。
この確率的コンセンサスシステムは、ブロックチェーンがフォークを処理する方法も変更します。無効なブロックが完全に拒否されるのではなく、ネガティブな作業が割り当てられ、ネットワークスプリットなしでチェーンが回復することができます。これにより、一貫性のない量子出力のためにブロックチェーンネットワークの一部が永続的に切断される致命的な故障モードを回避するのに役立ちます。
実験結果
このシステムは、4つのD-Wave Advantage量子プロセッサを使用してテストされ、それぞれが量子スピンガラス物理学に根ざした複雑な問題を解決しました。これらの問題は、古典的なコンピューターを使用して解決することが不可能であり、実行される量子作業を偽造したり複製したりすることができないことを保証するため、特に選択されました。
各量子コンピューターは、固定アーキテクチャを使用してブロックを処理しました。マイナーは、ビットコインのマイニングプロセスを監督する、一定数の主要なゼロを備えたハッシュを見つけるまで「ノンセ」を調整します。しかし、このシステムでは、量子コンピューターのみが基準を満たすハッシュを生成できます。
合計で、ブロックチェーンは100人以上の鉱夫を実行し、219ブロックのブロードキャストを処理しました。これらのブロックの70％以上が不変になり、すべての参加者によって合意され、量子計算のランダム性にもかかわらずコンセンサスに到達するシステムの能力が示されました。効率は、最強のチェーンに参加したブロック数によって測定されました。信頼ベースの検証を使用したチェーンは、単純なバイナリ検証を使用しているものよりも有意に高い効率を示しました。
短期量子用途
量子ブロックチェーンは、デジタル通貨の環境コストを削減するための前進の道を示しています。また、初期の量子コンピューターが完全に過失耐性またはスケーラブルになる前であっても、初期の量子コンピューターを展開するための実用的なインセンティブを提供します。
このアーキテクチャでは、電気ではなく量子コンピューティングのコストがボトルネックになります。それは、鉱業センターを安価なエネルギーのある地域から、高度な量子コンピューティングインフラストラクチャを持つ国や機関に向かって移動する可能性があります。
研究者はまた、このアーキテクチャがより広範な教訓を提供すると主張しています。たとえば、量子のテレポーテーションやフォールトトレラントハードウェアに依存する理論モデルとは異なり、それらのブロックチェーンは、今日利用可能なノイズの多い中間スケールQuantum（NISQ）デバイスで実行されます。
「量子コンピューティングの意味のあるアプリケーションの概念実証として機能するだけでなく、この作業は、既存のテクノロジーを使用した他の短期量子コンピューティングアプリケーションの可能性を強調しています」と研究者は書いています。
制限と将来の仕事
システムは依然としてプロトタイプであり、量子ブロックチェーンを商業的に展開する前にハードルが残ります。
前述のように、主要な制限の1つはコストです。エネルギーの使用が削減されたとしても、量子コンピューティング時間は高価であり、可用性が限られたままです。現在、量子POQは大規模な展開で経済的に実行可能ではないかもしれません。量子コンピューティングで進行が続くにつれて、これらのコストが軽減される可能性がある、と研究者は示唆しています。
D-Waveマシンは、IBMやGoogleなどの企業が追求する量子コンピューティングプラットフォームとは異なるモデルである量子アニーリングも使用しています。 Quantum Annealersは、特定の種類の問題に対して貴重な機能を提供しますが、現在、ゲートベースの量子システムと比較してより専門化されています。
セキュリティの課題もあります。古典的なブロックチェーンは、決定論的な暗号化のハッシュに依存しています。量子ハッシュの確率的性質は、コンセンサスが不確実性を説明しなければならないことを意味します。研究者はこれに適応するシステムを設計しましたが、複雑さを追加し、追加の保護手段が必要になる場合があります。
楽しみにして、研究者たちは、スプーフィング抵抗を改善するために、エンタングルメント証人や影の断層撮影などのより洗練された量子機能を統合することを提案します。また、QPUをベンチマークして較正するために、より小さく、古典的にシミュレート可能な問題を使用して提案しています。
ARXIVはプリプリントサーバーです。つまり、作業は公式にピアレビューされていないことを意味します。研究者は、特に量子コンピューティングなどの急速に変化する分野で、事前プリントを使用して作業に関するフィードバックを迅速に獲得します。ただし、公式のピアレビュー研究は、科学的方法のゴールドスタンダードです。
研究チームには、モハマド・H・アミン、ジャック・レイモンド、ダニエル・キン、フィラス・ハムズ、ケルシー・ハマー、ジョエル・パスボルスキー、ウィリアム・ベルヌーディ、アンドリュー・D・キング、サミュエル・コルタスが含まれます。
