2.1. 工作量證明問題
在現有的區塊鏈中，礦工競爭尋找一個隨機數，當其與區塊資料進行雜湊運算時，能產生低於特定目標值的輸出。這是一種暴力破解、可大規模平行化的數位計算。本文認為這是導致礦池中心化和高延遲的根本原因。
1. 引言與概述
本文提出對區塊鏈技術密碼學基礎的根本性重新思考。傳統上被視為威脅的量子計算平台，在此被重新定位為一種新型、更高效、更去中心化的工作量證明協議的推動者。作者 Kalinin 和 Berloff 主張，應從數位化、計算密集的工作量證明方案，轉向由類比哈密頓最佳化器——即自然尋求低能量狀態的物理系統——所產生的證明。此方法旨在解決區塊鏈的兩大弱點：挖礦算力過度集中以及交易確認時間緩慢。
解決的核心問題
高能耗、中心化的工作量證明限制了區塊鏈的可擴展性與採用。
提議的解決方案
利用物理最佳化（量子/類比）實現更快、更去中心化的共識。
目標成果
更快的交易、降低能源足跡、增強網路安全性。
2. 核心概念與方法論
該提議的核心在於，將傳統工作量證明中的密碼雜湊難題，替換為由專用物理裝置解決的最佳化問題。
2.2. 類比哈密頓最佳化器
這些物理系統的動力學由哈密頓量描述，並演化至能量最低的狀態。「證明」即是系統最終的低能量狀態，這對數位計算而言難以求解，但對類比系統而言卻是自然尋得的結果。「工作量」則是物理裝置為達到此狀態所消耗的能量。
2.3. 提議的協議轉移
區塊鏈網路將就一個困難的最佳化問題達成共識，該問題被表述為尋找一個複雜哈密頓量的基態。礦工將使用經核准的類比最佳化器硬體來尋找解。第一個提交的有效低能量解，即構成下一個區塊的工作量證明。
3. 技術實作
3.1. 量子退火硬體
本文特別引用了 D-Wave 系統。區塊鏈的工作量證明問題將被映射到一個伊辛模型哈密頓量：$H_{\text{Ising}} = -\sum_{i 圖表描述（概念性）： 一張圖表，y軸顯示組合最佳化問題的求解時間，x軸顯示問題複雜度。圖中包含兩條線：一條代表經典數位計算（陡峭的指數曲線），另一條代表量子退火器（較平緩的曲線，較早趨於平穩），說明了量子退火器在某些問題類別上潛在的速度優勢。
3.2. 增益耗散模擬器
這指的是新興的經典類比系統，例如光學參量振盪器網路或極化子凝聚體網路。這些系統可以利用經典波動力學和非線性相互作用來求解相干伊辛模型。它們為量子退火器提供了一種潛在更具可擴展性且能在室溫下運作的替代方案。
3.3. 數學框架
核心在於將區塊的交易資料和候選隨機數映射為哈密頓量最佳化問題的參數。驗證函式檢查提交的解是否使能量 $E = H(\vec{\sigma})$ 低於網路當前的難度目標值 $E_{\text{target}}$。該函式必須易於進行數位驗證，但若無類比硬體則難以求解。
4. 分析與批判性評估
核心洞見
Kalinin 和 Berloff 不僅僅是在調整區塊鏈；他們試圖對其最浪費資源的層級進行全棧替換。他們的洞見非常深刻：與其用數位閘極對抗物理的類比本質，不如擁抱它，將其作為信任的來源。這將量子計算的角色從生存威脅翻轉為基礎盟友。這讓人想起 CycleGAN 如何透過利用循環一致性來重新定義影像翻譯——那是一個巧妙、特定領域的約束，簡化了複雜問題。
邏輯流程
論證非常優雅：1) 傳統工作量證明是一場導致中心化的數位軍備競賽。2) 真正的價值在於執行可驗證但不易複製的「有用」工作。3) 類比物理系統透過穩定在低能量狀態，自然地執行最佳化「工作」。4) 因此，讓這種物理最佳化成為工作量證明。邏輯是合理的，但從理論到一個實際運行、充滿敵意、價值數十億美元的網路之間，才是真正出現鴻溝的地方。
優勢與缺陷
優勢： 大幅節省能源和加快出塊時間的潛力是無可否認的。它還為 ASIC 主導地位創造了天然屏障，可能使挖礦民主化。與真實物理的連結可能使鏈更能抵禦純粹的演算法攻擊。
關鍵缺陷： 這是該理論的軟肋。可驗證性與信任： 如何信任一個黑箱類比裝置的輸出？你需要一個易於執行的數位影子驗證，而這可能重現原始問題。硬體壟斷風險： 將 ASIC 礦場換成 D-Wave 或定製的光子硬體，只是將中心化轉移到另一個可能更集中的供應鏈。問題映射開銷： 不斷將區塊資料重新表述為新哈密頓量實例所帶來的延遲和複雜性，可能會抵消速度增益。正如 美國國家標準與技術研究院 關於後量子密碼學的報告所指出的，過渡複雜性往往是新穎方案的殺手。
可行洞見
對於投資者和開發者：關注實驗室，而非新創公司。 真正的進展將來自量子退火保真度的根本性進步，以及室溫、CMOS 相容的類比伊辛機的發展。這是一個 5-10 年的長期佈局。首先在私有鏈上試行。 用於供應鏈或物聯網的聯盟鏈是完美的低風險沙盒，可以在沒有公開加密經濟學的狂野西部環境下測試基於硬體的共識機制。聚焦於驗證器。 勝出的協議不會是擁有最快求解器的協議，而是擁有最優雅、最輕量、信任最小化的方法來驗證類比證明的協議。這才是決定此構想成敗的軟體挑戰。
分析框架範例：評估一個工作量證明協議
要批判性地評估任何新的工作量證明提案，請使用此框架：
- 工作量不對稱性： 執行工作是否本質上比驗證更困難？評分：高 vs. 低。
- 硬體進展曲線： 效率提升的速度有多快？陡峭的曲線有利於中心化。
- 問題唯一性： 工作是否可以預先計算或在區塊間重複使用？必須高以防止攻擊。
- 經濟去中心化： 所需硬體的資本成本、營運成本和可及性。
- 安全性假設： 對物理硬體的信任假設是什麼？它們是否可審計？
應用於本文： 該提案在 (1) 和 (3) 上得分良好，如果硬體多樣化，在 (4) 上也可能表現良好，但在 (2) 上面臨重大開放性問題，在 (5) 上則面臨顯著挑戰。
5. 應用前景與未來方向
直接的應用很明確：下一代加密貨幣。然而，其影響更為廣泛。一個成功的類比工作量證明區塊鏈，可能成為以下應用的理想結算層：
- 高頻物聯網微支付： 機器間以亞秒級最終性進行交易。
- 去中心化實體基礎設施網路： 其中「工作量」甚至可以與真實世界的感測器資料或物理計算綁定。
- 安全投票系統： 利用物理過程固有的隨機性和唯一性來生成和驗證選票。
未來研究必須解決：
- 為區塊制定標準化的「哈密頓量描述語言」。
- 為類比證明開發穩健、輕量級的數位驗證演算法。
- 為類比硬體建立可信執行環境或密碼學證明，以防止欺騙。
- 探索混合模型，其中類比工作量證明用於快速出塊，並輔以一個次要的、較慢的數位工作量證明或權益證明層來實現最終性。
6. 參考文獻
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- Catalini, C., & Gans, J. S. (2016). Some Simple Economics of the Blockchain. NBER Working Paper.
- Y.-H. Oh, S. Kais. (2021). Quantum computing and blockchain: Overview, challenges, and opportunities. IEEE Transactions on Quantum Engineering.
- Johnson, M. W., et al. (2011). Quantum annealing with manufactured spins. Nature.
- Wang, Z., Marandi, A., Wen, K., Byer, R. L., & Yamamoto, Y. (2013). Coherent Ising machine based on degenerate optical parametric oscillators. Physical Review A.
- National Institute of Standards and Technology (NIST). (2022). Post-Quantum Cryptography Standardization. [Online]. Available: https://csrc.nist.gov/Projects/post-quantum-cryptography