Dieses Papier schlägt ein grundlegendes Umdenken des kryptografischen Rückgrats der Blockchain-Technologie vor. Quantencomputing-Plattformen, traditionell als Bedrohung angesehen, werden hier als Ermöglicher für ein neues, effizienteres und dezentraleres Proof-of-Work (PoW)-Protokoll neu positioniert. Die Autoren Kalinin und Berloff argumentieren für einen Wechsel von digitalen, rechenintensiven PoW-Schemata zu Proofs, die von analogen Hamilton-Optimierern erzeugt werden – physikalischen Systemen, die natürlicherweise nach Zuständen niedriger Energie streben. Dieser Ansatz zielt darauf ab, die beiden Achillesfersen der Blockchain anzugehen: übermäßige Zentralisierung der Mining-Leistung und langsame Transaktionsbestätigungszeiten.
Energieintensiver, zentralisierter PoW, der die Skalierbarkeit und Adoption von Blockchain limitiert.
Nutzung physikalischer Optimierung (quanten-/analog) für schnelleren, dezentraleren Konsens.
Schnellere Transaktionen, reduzierter Energieverbrauch, verbesserte Netzwerksicherheit.
Der Vorschlag konzentriert sich darauf, das kryptografische Hash-Rätsel im traditionellen PoW (z.B. Bitcoins SHA-256) durch ein Optimierungsproblem zu ersetzen, das von einem spezialisierten physikalischen Gerät gelöst wird.
In aktuellen Blockchains konkurrieren Miner darum, einen Nonce zu finden, der, zusammen mit den Blockdaten gehasht, eine Ausgabe unterhalb eines bestimmten Ziels produziert. Dies ist eine Brute-Force-, massiv parallelisierbare digitale Berechnung. Das Papier identifiziert dies als die Hauptursache für die Zentralisierung von Mining-Pools und hohe Latenzzeiten.
Dies sind physikalische Systeme, deren Dynamik durch einen Hamiltonoperator ($H$) beschrieben wird und die sich entwickeln, um ihre Energie zu minimieren. Der "Proof" ist der finale, energiearme Zustand des Systems, der digital schwer zu berechnen, für das analoge System jedoch natürlich zu finden ist. Die "Arbeit" ist die Energie, die das physikalische Gerät aufwendet, um diesen Zustand zu erreichen.
Das Blockchain-Netzwerk würde sich auf ein schwieriges Optimierungsproblem einigen, formuliert als Suche nach dem Grundzustand eines komplexen Hamiltonoperators. Miner würden zugelassene analoge Optimierer-Hardware (z.B. einen D-Wave-Quantenannealer oder einen photonischen Simulator) verwenden, um eine Lösung zu finden. Die erste gültige, energiearme Lösung, die eingereicht wird, stellt den PoW für den nächsten Block dar.
Das Papier nennt speziell D-Wave-Systeme. Das PoW-Problem der Blockchain würde auf ein Ising-Modell-Hamiltonian abgebildet: $H_{\text{Ising}} = -\sum_{i Diagrammbeschreibung (konzeptionell): Ein Diagramm zeigt die Lösungszeit für ein kombinatorisches Optimierungsproblem auf der y-Achse gegenüber der Problemkomplexität auf der x-Achse. Zwei Linien sind dargestellt: eine für klassische digitale Berechnung (steile exponentielle Kurve) und eine für einen Quantenannealer (flachere Kurve, die früher abflacht), was den potenziellen Geschwindigkeitsvorteil für bestimmte Problemklassen veranschaulicht.
Dies bezieht sich auf neuartige klassische analoge Systeme, wie Netzwerke optischer parametrischer Oszillatoren oder Polariton-Kondensate. Diese Systeme können kohärente Ising-Modelle lösen, indem sie klassische Wellendynamik und nichtlineare Wechselwirkungen ausnutzen. Sie bieten eine potenziell besser skalierbare und bei Raumtemperatur betreibbare Alternative zu Quantenannealern.
Der Kern besteht darin, die Transaktionsdaten eines Blocks und einen Kandidaten-Nonce in die Parameter ($J_{ij}$, $h_i$) eines Hamilton-Optimierungsproblems abzubilden. Die Validierungsfunktion prüft, ob die eingereichte Lösung (z.B. ein Spin-Vektor $\vec{\sigma}$) eine Energie $E = H(\vec{\sigma})$ unterhalb des aktuellen Schwierigkeitsziels des Netzwerks $E_{\text{target}}$ ergibt. Die Funktion muss digital schnell zu verifizieren, aber ohne die analoge Hardware schwer zu lösen sein.
Kalinin und Berloff optimieren die Blockchain nicht nur, sie versuchen einen Full-Stack-Ersatz ihrer verschwenderischsten Schicht. Ihre Erkenntnis ist tiefgreifend: Anstatt die analoge Natur der Physik mit digitalen Gattern zu bekämpfen, sollte man sie als Quelle des Vertrauens annehmen. Dies dreht die Rolle des Quantencomputings vom existenziellen Bedrohungsszenario zum grundlegenden Verbündeten um. Es erinnert an den Ansatz von CycleGAN bei der Bildübersetzung durch Nutzung von Zyklenkonsistenz – eine clevere, domänenspezifische Einschränkung, die ein komplexes Problem vereinfachte.
Das Argument ist elegant: 1) Traditioneller PoW ist ein digitales Wettrüsten, das zu Zentralisierung führt. 2) Der eigentliche Wert liegt in der Ausführung "nützlicher" Arbeit, die verifizierbar, aber nicht einfach reproduzierbar ist. 3) Analoge physikalische Systeme verrichten natürlicherweise Optimierungs-„Arbeit“, indem sie in energiearme Zustände übergehen. 4) Daher sollte diese physikalische Optimierung der PoW sein. Die Logik ist schlüssig, aber die Brücke von der Theorie zu einem laufenden, adversarischen, milliardenschweren Netzwerk ist, wo die wirklichen Lücken auftauchen.
Stärken: Das Potenzial für drastische Energieeinsparungen und schnellere Blockzeiten ist unbestreitbar. Es schafft auch eine natürliche Barriere gegen die ASIC-Dominanz und könnte das Mining demokratisieren. Die Verbindung zur realen Physik könnte die Kette robuster gegen rein algorithmische Angriffe machen.
Kritische Schwächen: Dies ist die verwundbare Stelle der Theorie. Verifizierbarkeit & Vertrauen: Wie vertraut man der Ausgabe eines Black-Box-Analoggeräts? Man benötigt eine digitale Schattenverifikation, die einfach ist, was das ursprüngliche Problem neu erschaffen könnte. Hardware-Monopol-Risiko: Der Austausch von ASIC-Farmen gegen D-Wave- oder maßgeschneiderte photonische Hardware verlagert die Zentralisierung nur auf eine andere, potenziell konzentriertere Lieferkette. Problem-Mapping-Overhead: Die Latenz und Komplexität, Blockdaten ständig in neue Hamilton-Instanzen umzuformulieren, könnten die Geschwindigkeitsgewinne zunichtemachen. Wie in Berichten des National Institute of Standards and Technology (NIST) zur Post-Quanten-Kryptografie festgestellt, ist die Übergangskomplexität oft der entscheidende Nachteil neuartiger Schemata.
Für Investoren und Entwickler: Beobachten Sie die Labore, nicht die Startups. Der echte Fortschritt wird von grundlegenden Fortschritten in der Quantenannealing-Fidelity und der Entwicklung von raumtemperatur-, CMOS-kompatiblen analogen Ising-Maschinen (wie denen von Stanford oder NTT Research) kommen. Dies ist ein Spiel mit einem Zeithorizont von 5-10 Jahren. Zuerst mit privaten Chains pilotieren. Konsortium-Blockchains für Lieferketten oder IoT (wie das erwähnte ADEPT-Konzept) sind der perfekte, risikolose Sandkasten, um hardwarebasierte Konsensmechanismen ohne den Wildwest-Charakter der öffentlichen Krypto-Ökonomie zu testen. Fokus auf den Verifizierer. Das gewinnende Protokoll wird nicht das mit dem schnellsten Löser sein, sondern das mit der elegantesten, leichtgewichtigsten und vertrauensminimierten Methode, einen analogen Proof zu verifizieren. Das ist die Software-Herausforderung, die diese Idee entscheiden wird.
Um jedes neue PoW-Vorschlag (analog oder anderweitig) kritisch zu bewerten, verwenden Sie dieses Framework:
Anwendung auf dieses Papier: Der Vorschlag schneidet bei (1) und (3) gut ab, potenziell gut bei (4), wenn die Hardware diversifiziert, steht aber vor großen offenen Fragen bei (2) und einer erheblichen Herausforderung bei (5).
Die unmittelbare Anwendung ist klar: eine Kryptowährung der nächsten Generation. Die Implikationen sind jedoch breiter. Eine erfolgreiche analoge PoW-Blockchain könnte die ideale Abwicklungsschicht sein für:
Zukünftige Forschung muss adressieren: