2.1. 工作量证明问题
在当前区块链中，矿工竞争寻找一个随机数，当该随机数与区块数据一起进行哈希运算时，会产生低于特定目标的输出。这是一种暴力、高度可并行化的数字计算。本文认为这是导致矿池中心化和高延迟的根本原因。
1. 引言与概述
本文对区块链技术的加密核心提出了根本性的重新思考。传统上被视为威胁的量子计算平台，被重新定位为一种新型、更高效、更去中心化的工作量证明（PoW）协议的赋能者。作者 Kalinin 和 Berloff 主张从数字化的、计算密集型的 PoW 方案转向由模拟哈密顿优化器——即那些自然趋向于低能态的物理系统——生成的证明。这种方法旨在解决区块链的两大痛点：挖矿算力的过度中心化以及交易确认速度缓慢。
解决的核心问题
高能耗、中心化的 PoW 限制了区块链的可扩展性和采用。
提出的解决方案
利用物理优化（量子/模拟）实现更快、更去中心化的共识。
目标成果
更快的交易速度，降低能耗足迹，增强网络安全。
2. 核心概念与方法论
该提议的核心是用一个由专用物理设备解决的优化问题，来取代传统 PoW（例如比特币的 SHA-256）中的加密哈希谜题。
2.2. 模拟哈密顿优化器
这些物理系统的动力学由哈密顿量（$H$）描述，并朝着最小化其能量的方向演化。“证明”就是系统最终的低能态，这对于数字计算来说很难求解，但对模拟系统而言却是自然可达的。“工作量”则是物理设备为达到此状态所消耗的能量。
2.3. 提议的协议转变
区块链网络将商定一个困难的优化问题，该问题被表述为寻找复杂哈密顿量的基态。矿工将使用经批准的模拟优化器硬件（例如 D-Wave 量子退火器或光子模拟器）来寻找解决方案。第一个提交的有效低能解即构成下一个区块的 PoW。
3. 技术实现
3.1. 量子退火硬件
本文特别引用了 D-Wave 系统。区块链的 PoW 问题将被映射到伊辛模型哈密顿量：$H_{\text{Ising}} = -\sum_{i 图表描述（概念性）： 一张图表，y 轴表示组合优化问题的求解时间，x 轴表示问题复杂度。图中显示两条线：一条代表经典数字计算（陡峭的指数曲线），另一条代表量子退火器（较平缓的曲线，更早趋于平缓），说明了在某些问题类别上潜在的速度优势。
3.2. 增益耗散模拟器
这指的是新兴的经典模拟系统，例如光学参量振荡器网络或极化激元凝聚体。这些系统可以利用经典波动力学和非线性相互作用来求解相干伊辛模型。它们为量子退火器提供了一种潜在更具可扩展性且可在室温下运行的替代方案。
3.3. 数学框架
核心在于将区块的交易数据和候选随机数映射为哈密顿优化问题的参数（$J_{ij}$、$h_i$）。验证函数检查提交的解决方案（例如自旋矢量 $\vec{\sigma}$）产生的能量 $E = H(\vec{\sigma})$ 是否低于网络当前的难度目标 $E_{\text{target}}$。该函数必须易于数字验证，但难以在没有模拟硬件的情况下求解。
4. 分析与批判性评估
核心洞见
Kalinin 和 Berloff 不仅仅是在调整区块链；他们试图对其最浪费的层级进行全栈替换。他们的洞见是深刻的：与其用数字门电路对抗物理的模拟本质，不如拥抱它，将其作为信任的来源。这彻底改变了量子计算的叙事，使其从生存威胁转变为基础盟友。这一举措让人联想到 CycleGAN 如何通过利用循环一致性来重构图像翻译——这是一个巧妙的、特定领域的约束，简化了复杂问题。
逻辑脉络
论证过程非常精妙：1) 传统 PoW 是一场导致中心化的数字军备竞赛。2) 真正的价值在于执行“有用”的工作，这些工作可验证但不易复制。3) 模拟物理系统通过稳定在低能态自然地执行优化“工作”。4) 因此，让这种物理优化成为 PoW。逻辑是合理的，但从理论到实际运行、充满对抗性、价值数十亿美元的网络，这中间的桥梁才是真正出现差距的地方。
优势与缺陷
优势： 大幅节能和缩短出块时间的潜力是毋庸置疑的。它还为 ASIC 主导地位设置了天然屏障，可能使挖矿更加民主化。与现实物理学的联系可能使链更能抵御纯算法攻击。
关键缺陷： 这是该理论的软肋。可验证性与信任： 如何信任一个黑盒模拟设备的输出？你需要一个易于执行的数字影子验证，但这可能重新引入原始问题。硬件垄断风险： 用 D-Wave 或定制的光子硬件取代 ASIC 矿场，只是将中心化转移到了一个不同的、可能更加集中的供应链上。问题映射开销： 不断将区块数据重新表述为新哈密顿量实例的延迟和复杂性，可能会抵消速度增益。正如 美国国家标准与技术研究院（NIST） 在后量子密码学报告中指出的那样，过渡复杂性往往是新方案的致命弱点。
可操作的见解
对于投资者和开发者：关注实验室，而非初创公司。 真正的进展将来自量子退火保真度的根本性进步，以及室温、CMOS 兼容的模拟伊辛机（例如斯坦福大学或 NTT Research 开发的）的发展。这是一个 5-10 年的长期布局。首先在私有链上试点。 用于供应链或物联网（如提到的 ADEPT 概念）的联盟链是完美的、低风险的试验场，可以在没有公共加密经济学狂野西部的情况下测试基于硬件的共识。专注于验证器。 胜出的协议不会是拥有最快求解器的那个，而是拥有最优雅、最轻量级、信任最小化的方法来验证模拟证明的那个。这是决定这个想法成败的软件挑战。
分析框架示例：评估 PoW 协议
要批判性地评估任何新的 PoW 提案（模拟或其他），请使用此框架：
- 工作量不对称性： 执行工作是否本质上比验证更难？评分：高（模拟求解） vs. 低（验证）。
- 硬件演进曲线： 效率提升速度如何（摩尔定律 vs. 量子/模拟缩放定律）？曲线越陡峭，越有利于中心化。
- 问题唯一性： 工作是否可以跨区块预计算或复用？必须高以防止攻击。
- 经济去中心化： 所需硬件的资本成本、运营成本和可及性。
- 安全假设： 对物理硬件有哪些信任假设？它们是否可审计？
应用于本文： 该提案在（1）和（3）上得分高，如果硬件多样化，在（4）上也可能表现良好，但在（2）上面临重大开放性问题，在（5）上则存在显著挑战。
5. 应用前景与未来方向
直接应用是明确的：下一代加密货币。然而，其影响更为广泛。一个成功的模拟 PoW 区块链可能成为以下领域的理想结算层：
- 高频物联网微支付： 机器间以亚秒级最终性进行交易。
- 去中心化物理基础设施网络（DePIN）： 其中“工作量”甚至可以与现实世界的传感器数据或物理计算相关联。
- 安全投票系统： 利用物理过程固有的随机性和唯一性来生成和验证选票。
未来研究必须解决：
- 为区块标准化一种“哈密顿量描述语言”。
- 为模拟证明开发鲁棒、轻量级的数字验证算法。
- 为模拟硬件创建可信执行环境或加密证明，以防止欺骗。
- 探索混合模型，其中模拟 PoW 用于快速出块，而辅助的、较慢的数字 PoW 或权益证明层用于最终性确认。
6. 参考文献
- Nakamoto, S. (2008). 比特币：一种点对点的电子现金系统。
- Catalini, C., & Gans, J. S. (2016). 区块链的一些简单经济学。 NBER 工作论文。
- Y.-H. Oh, S. Kais. (2021). 量子计算与区块链：概述、挑战与机遇。 IEEE 量子工程汇刊。
- Johnson, M. W., et al. (2011). 使用制造自旋的量子退火。 自然。
- Wang, Z., Marandi, A., Wen, K., Byer, R. L., & Yamamoto, Y. (2013). 基于简并光学参量振荡器的相干伊辛机。 物理评论 A。
- National Institute of Standards and Technology (NIST). (2022). 后量子密码学标准化。 [在线]. 可访问：https://csrc.nist.gov/Projects/post-quantum-cryptography