Как создать квантовый блокчейн: исследователи тестируют блокчейн, который могут добывать только квантовые компьютеры

Исследователи из компании D-Wave разработали и протестировали прототип блокчейна, который использует квантовые компьютеры для майнинга, применяя новый метод консенсуса, названный "доказательство квантовой работы". Этот подход заменяет энергоемкий классический майнинг квантовыми вычислениями, которые недоступны для традиционных машин, обеспечивая функционирование четырех квантовых процессоров.

Результаты эксперимента свидетельствуют о том, что этот блокчейн поддерживает консенсус и достигает 75% эффективности майнинга, что открывает перспективы для создания масштабируемой и энергоэффективной блокчейн-инфраструктуры. Разработанный D-Wave прототип можно майнить исключительно с помощью квантовых компьютеров, что наглядно демонстрирует применение квантового превосходства в области блокчейн-технологий.

В статье, опубликованной на платформе arXiv, описывается система блокчейна, в которой устаревший и ресурсоемкий способ "доказательства выполнения работы" заменен новым механизмом консенсуса — "доказательством выполнения квантовой работы". Этот метод требует, чтобы квантовые компьютеры решали сложные задачи, которые невозможно эффективно выполнять на классических системах, что делает майнинг доступным только для квантовых систем с необходимыми ресурсами.

Авторы исследования отмечают, что "мы предложили и успешно протестировали архитектуру блокчейна, в которой доказательство квантовой работы (PoQ) осуществляется на квантовых компьютерах". Это предполагает использование различных методов генерации хэшей на основе квантовых вычислений, варьирующихся по уровню сложности в зависимости от возможностей квантового оборудования. Для решения проблем, связанных с вероятностной природой квантового хэширования и валидации, команда разработала методы, обеспечивающие стабильность работы блокчейна.

Прототип функционировал на четырех географически распределенных квантовых процессорах D-Wave в Северной Америке, что продемонстрировало способность полностью квантового блокчейна к стабильной работе при выполнении сотен тысяч операций хеширования.

Переход к новому алгоритму майнинга

В методе доказательства выполнения работы используются сложные задачи, которые должны решать компьютеры перед тем, как добавлять новые данные в блокчейн. Это делает мошенничество практически невозможным, так как для его осуществления требуется колоссальное количество вычислительных ресурсов и энергии.

Тем не менее, именно потребление электроэнергии стало предметом серьезной критики традиционных блокчейнов, особенно таких, как Биткойн, использующих доказательство работы (PoW). По прогнозам, в 2024 году майнинг Биткойна потребит около 176 тераватт-часов электроэнергии, что превышает годовое потребление Швеции.

Исследователи считают, что подход с доказательством выполнения квантовой работы может значительно изменить ситуацию. Несмотря на высокую стоимость квантовых вычислений, их энергопотребление составляет всего 0,1% от затрат на классический PoW, что делает PoQ потенциально в 1000 раз более энергоэффективным, утверждают авторы.

Квантовый блокчейн также устраняет еще одну важную проблему классического PoW — масштабируемость. Он демонстрирует более высокую эффективность майнинга и поддерживает стабильный консенсус даже в условиях неопределенности, характерной для квантовых вычислений.

Система интегрирует квантовые операции в стандартную архитектуру блокчейна с минимальными изменениями в конструкции Биткойна.

Принцип работы квантового блокчейна

Вместо того чтобы майнеры соревновались в решении криптографических задач методом проб и ошибок на мощных графических процессорах или специализированных интегральных схемах, квантовый блокчейн использует квантовые компьютеры для создания уникального хэша на основе вероятностной квантовой механики.

Процесс включает кодирование данных в квантовую систему, что позволяет ей развиваться, и затем измерение ее свойств для генерации хэша. Эти измерения по своей природе вероятностные и требуют механизма, учитывающего ошибки выборки и шумы аппаратуры.

Чтобы решить проблему ненадежности квантовых результатов, исследователи ввели систему "вероятностной проверки". И майнер, и валидатор применяют статистические критерии достоверности, чтобы оценить, является ли данный квантовый хэш действительным. Нововведенный параметр "Chainwork на основе достоверности" корректирует предполагаемые усилия по майнингу в зависимости от надежности квантового результата.

Эта вероятностная система консенсуса также влияет на обработку форков в блокчейне. Вместо того чтобы отклонять недействительные блоки, им присваивается отрицательная работа, что позволяет восстанавливать цепочку без разделения сети и предотвращает фатальные сбои, когда части сети навсегда отключаются из-за несогласованных результатов квантовых вычислений.

Результаты эксперимента

Система была протестирована на четырех квантовых процессорах D-Wave Advantage, каждый из которых решал специфические задачи, основанные на физике квантового спинового стекла. Эти задачи специально выбраны так, чтобы их невозможно было решить на классических компьютерах, что гарантирует невозможность симуляции выполнения квантовой работы.

Каждый квантовый компьютер работал с фиксированной архитектурой блоков, а майнеры корректировали значение "nonce", пока не находили хэш с заданным количеством ведущих нулей — аналогично тому, как это происходит при майнинге Биткойна. Однако в данном случае только квантовые компьютеры способны генерировать подходящие хэши.

В итоге блокчейн использовал более 100 майнеров и обработал 219 блоков. Более 70% из них стали неизменяемыми и согласованными всеми участниками, что свидетельствует о способности системы достигать консенсуса, несмотря на случайность квантовых вычислений.

Эффективность оценивалась по количеству блоков, присоединившихся к самой сильной цепочке. Цепочки, использующие проверку на основе доверия, продемонстрировали значительно более высокую эффективность по сравнению с цепочками, применяющими простую бинарную проверку.

Краткосрочные перспективы применения квантовых технологий

Квантовый блокчейн открывает возможности для уменьшения воздействия цифровых валют на окружающую среду и предоставляет практическую мотивацию для внедрения первых квантовых компьютеров до их полной отказоустойчивости или масштабируемости.

В предложенной архитектуре узким местом становятся не потребление электроэнергии, а стоимость квантовых вычислений. Это может привести к переносу центров майнинга из регионов с дешевой энергией в страны или учреждения с развитыми квантовыми вычислительными инфраструктурами.

Исследователи также отмечают, что данная архитектура предоставляет более широкие возможности. В отличие от теоретических моделей, базирующихся на квантовой телепортации или отказоустойчивом оборудовании, их блокчейн функционирует на доступных в настоящее время шумных избытках квантовых вычислений (NISQ).

"Эта работа не только служит доказательством концепции значимого применения квантовых вычислений, но и подчеркивает потенциал для других краткосрочных приложений квантовых технологий с использованием существующих решений", — заключают исследователи.

Ограничения и будущее исследований

Система пока остаётся прототипом, и перед её коммерческим внедрением предстоит преодолеть множество препятствий.

Одним из основных ограничений, как уже упоминалось, остаётся высокая цена. Время, требуемое для квантовых вычислений, по-прежнему дорого и ограниченно в доступности, даже с учетом снижения расхода электроэнергии. На настоящий момент квантовые PoQ могут оказаться экономически нецелесообразными для широкомасштабного применения. Исследователи предполагают, что по мере развития технологии квантовых вычислений эти затраты будут уменьшаться.

Квантовые машины от D-Wave используют метод квантового отжига, который отличается от платформ квантовых вычислений, предлагаемых такими компаниями, как IBM и Google. Хотя квантовые отжигатели имеют ценное применение для решения определенных задач, их использование на сегодняшний день более узкоспециализировано по сравнению с квантовыми системами на основе логических элементов.

Существует также проблема безопасности. Классические блокчейны строятся на детерминированных криптографических хэшах. Вероятностная природа квантовых хэшей подразумевает, что консенсус должен учитывать неопределенность. Хотя исследователи разработали систему, адаптированную к этим условиям, это усложняет процесс и может потребовать дополнительных мер безопасности.

В будущем исследователи намерены интегрировать более сложные квантовые функции, такие как свидетели запутанности или теневая томография, для повышения устойчивости к подмене. Также предлагается использовать меньшее количество задач, которые можно смоделировать классически, для тестирования и калибровки квантовых процессоров.

ArXiv представляет собой платформу для предварительных публикаций, что означает, что работа не прошла формальную оценку экспертов. Исследователи часто используют предварительные публикации, чтобы быстро получить отзывы о своей работе, особенно в столь быстро меняющихся областях, как квантовые вычисления. Тем не менее, формальная экспертная оценка остаётся золотым стандартом научного метода.

В исследовательскую группу вошли Мохаммад Х. Амин, Джек Рэймонд, Дэниел Кинн, Фирас Хамзе, Келси Хамер, Джоэл Пасвольски, Уильям Бернуди, Эндрю Д. Кинг и Сэмюэл Кортас — все из D-Wave Quantum Inc.