В данной статье предлагается фундаментальный пересмотр криптографической основы технологии блокчейн. Традиционно рассматриваемые как угроза, платформы квантовых вычислений переосмысливаются как катализатор для нового, более эффективного и децентрализованного протокола доказательства выполнения работы (Proof-of-Work, PoW). Авторы, Калинин и Берлофф, выступают за переход от цифровых, ресурсоёмких схем PoW к доказательствам, генерируемым аналоговыми оптимизаторами Гамильтониана — физическими системами, которые естественным образом стремятся к состояниям с низкой энергией. Этот подход направлен на решение двух главных ахиллесовых пят блокчейна: чрезмерной централизации майнинговых мощностей и медленного времени подтверждения транзакций.
Энергоёмкий, централизованный PoW ограничивает масштабируемость и внедрение блокчейна.
Использование физической оптимизации (квантовой/аналоговой) для более быстрого и децентрализованного консенсуса.
Более быстрые транзакции, снижение энергопотребления, повышение безопасности сети.
Предложение сосредоточено на замене криптографической хеш-головоломки в традиционном PoW (например, SHA-256 в Bitcoin) на задачу оптимизации, решаемую специализированным физическим устройством.
В современных блокчейнах майнеры соревнуются в поиске одноразового числа (nonce), которое при хешировании с данными блока даёт результат ниже определённого целевого значения. Это метод грубой силы, массово распараллеливаемая цифровая операция. В статье это определяется как коренная причина централизации майнинговых пулов и высокой задержки.
Это физические системы, динамика которых описывается гамильтонианом ($H$) и которые эволюционируют, минимизируя свою энергию. «Доказательством» является конечное, низкоэнергетическое состояние системы, которое сложно вычислить цифровым способом, но естественно для аналоговой системы. «Работой» является энергия, затраченная физическим устройством для достижения этого состояния.
Сеть блокчейна согласовывает сложную задачу оптимизации, сформулированную как поиск основного состояния сложного гамильтониана. Майнеры будут использовать одобренное аналоговое оптимизирующее оборудование (например, квантовый отжигатель D-Wave или фотонный симулятор) для поиска решения. Первое валидное низкоэнергетическое решение, представленное в сеть, составляет PoW для следующего блока.
В статье конкретно упоминаются системы D-Wave. Задача PoW блокчейна будет отображаться на гамильтониан модели Изинга: $H_{\text{Ising}} = -\sum_{i Описание графика (концептуальное): График, показывающий на оси Y время решения комбинаторной задачи оптимизации, а на оси X — сложность задачи. Показаны две линии: одна для классических цифровых вычислений (крутая экспоненциальная кривая) и одна для квантового отжигателя (более пологая кривая, выходящая на плато раньше), иллюстрируя потенциальное преимущество в скорости для определённых классов задач.
Речь идёт о новых классических аналоговых системах, таких как сети оптических параметрических осцилляторов или конденсатов поляритонов. Эти системы могут решать когерентные модели Изинга, используя классическую волновую динамику и нелинейные взаимодействия. Они предлагают потенциально более масштабируемую и работающую при комнатной температуре альтернативу квантовым отжигателям.
Суть заключается в отображении транзакционных данных блока и кандидатного одноразового числа (nonce) в параметры ($J_{ij}$, $h_i$) задачи оптимизации гамильтониана. Функция валидации проверяет, даёт ли представленное решение (например, вектор спинов $\vec{\sigma}$) энергию $E = H(\vec{\sigma})$ ниже текущего целевого уровня сложности сети $E_{\text{target}}$. Эта функция должна быстро проверяться цифровым способом, но быть сложной для решения без аналогового оборудования.
Калинин и Берлофф не просто модифицируют блокчейн; они пытаются полностью заменить его самый ресурсоёмкий слой. Их идея глубока: вместо того чтобы бороться с аналоговой природой физики с помощью цифровых вентилей, принять её как источник доверия. Это меняет роль квантовых вычислений с экзистенциальной угрозы на фундаментального союзника. Этот шаг напоминает то, как CycleGAN переосмыслил трансляцию изображений, используя цикличную согласованность — умное, специфичное для домена ограничение, упростившее сложную задачу.
Аргументация элегантна: 1) Традиционный PoW — это цифровая гонка вооружений, ведущая к централизации. 2) Реальная ценность заключается в выполнении «полезной» работы, которая может быть проверена, но не легко воспроизведена. 3) Аналоговые физические системы естественным образом выполняют «работу» оптимизации, переходя в низкоэнергетические состояния. 4) Следовательно, сделать эту физическую оптимизацию PoW. Логика безупречна, но переход от теории к живой, враждебной, многомиллиардной сети — вот где появляются реальные пробелы.
Сильные стороны: Потенциал для радикальной экономии энергии и более быстрого времени создания блоков неоспорим. Это также создаёт естественный барьер для доминирования ASIC, потенциально демократизируя майнинг. Связь с реальной физикой может сделать цепочку более устойчивой к чисто алгоритмическим атакам.
Критические недостатки: Это уязвимое место теории. Проверяемость и доверие: Как доверять выходным данным «чёрного ящика» аналогового устройства? Нужна цифровая «теневая» проверка, которая была бы простой, но это может воссоздать исходную проблему. Риск монополии на оборудование: Замена ферм ASIC на оборудование D-Wave или специализированное фотонное оборудование просто смещает централизацию на другую, потенциально более концентрированную цепочку поставок. Накладные расходы на отображение задачи: Задержка и сложность постоянного преобразования данных блока в новые экземпляры гамильтониана могут свести на нет выигрыш в скорости. Как отмечается в отчётах Национального института стандартов и технологий (NIST) по постквантовой криптографии, сложность перехода часто является убийцей для новых схем.
Для инвесторов и разработчиков: Следите за лабораториями, а не за стартапами. Реальный прогресс будет исходить от фундаментальных достижений в точности квантового отжига и разработке совместимых с CMOS аналоговых машин Изинга, работающих при комнатной температуре (например, из Стэнфорда или NTT Research). Это игра на горизонт 5-10 лет. Сначала пилотируйте на приватных цепочках. Консорциумные блокчейны для цепочек поставок или IoT (как упомянутая концепция ADEPT) — идеальная, низкорисковая песочница для тестирования консенсуса на основе оборудования без дикого запада публичной криптоэкономики. Сосредоточьтесь на верификаторе. Победит не тот протокол, у которого самый быстрый решатель, а тот, у которого будет самый элегантный, лёгкий и минимизирующий доверие метод проверки аналогового доказательства. Это программная задача, которая определит успех или провал этой идеи.
Для критической оценки любого нового предложения PoW (аналогового или иного) используйте этот подход:
Применение к данной статье: Предложение получает высокие оценки по пунктам (1) и (3), потенциально хорошо по (4), если оборудование диверсифицируется, но сталкивается с серьёзными открытыми вопросами по (2) и значительными проблемами по (5).
Непосредственное применение очевидно: криптовалюта следующего поколения. Однако последствия шире. Успешный блокчейн с аналоговым PoW может стать идеальным расчётным слоем для:
Будущие исследования должны решить: