インサイダー情報
- D-Waveの研究者は、量子コンピュータを使用し、量子作業証明と呼ばれる新しい合意方法によってマイニングを行うブロックチェーンのプロトタイプを開発し、テストを行いました。
- このシステムは、エネルギー集約型の従来のマイニングを、従来のマシンでは実行不可能な量子計算に置き換え、4つの量子プロセッサ全体で安定した動作を実現します。
- 実験結果では、ブロックチェーンが合意を維持し、最大75%のマイニング効率を達成したことが示され、拡張性とエネルギー効率に優れたブロックチェーン・インフラへの潜在的な道筋が示されました。
D-Waveの研究チームは、量子コンピュータを使用してマイニングすることのみが可能なブロックチェーンを構築し、テストを行いました。これは、ブロックチェーン技術における量子優位性の初めての実世界での応用例となります。
プレプリント・サーバーのarXivに掲載された研究論文では、エネルギー集約型の古典的な「プルーフ・オブ・ワーク」を「プルーフ・オブ・クアンタム・ワーク」と呼ばれる新しい合意メカニズムに置き換えたプロトタイプのブロックチェーン・システムが概説されています。このアプローチでは、古典的なマシンでは効率的に処理できない複雑な問題を量子コンピュータで解決する必要があるため、マイニングは現在のリソースを持つ量子システムでのみ実行可能です。
「私たちは量子コンピュータ上で量子作業証明（PoQ）を行うブロックチェーン・アーキテクチャを提案し、その有効性を検証しました」と著者は書いています。「私たちのアプローチでは、量子ハードウェアの性能に応じて複雑性のレベルを変える、複数の量子ベースのハッシュ生成方法を導入しています。量子ハッシュ生成と検証に内在する確率的な性質、つまりあらゆる量子ハッシュ・アルゴリズムに不可避な性質に対処するため、ブロックチェーンの安定性を確保する技術を開発しました。」
彼らのプロトタイプは、北米に地理的に分散された4つのD-Wave量子プロセッサ上で実行され、量子計算のみで稼働するブロックチェーンが、数十万回のハッシュ演算にわたって安定して機能することを実証しました。
ブロックチェーン・マイニングのシフト
プルーフ・オブ・ワークは、コンピューターが新しいデータを追加する前に、難しいパズルを解くことを要求することで、ブロックチェーンを保護する方法です。 これを行うには膨大な量のコンピューティング・パワーと電力が必要となるため、不正を行うのは非常に困難です。
問題となるのは、この最後の部分です。従来のブロックチェーン、特にBitcoinのようなプルーフ・オブ・ワーク（PoW）を使用するものは、エネルギーの過剰使用により、広く批判を集めてきました。この研究によると、Bitcoinのマイニングだけで、2024年には176テラワット時近い電力を消費すると予測されています。これはスウェーデンの年間電力消費量よりも多い数字です。
研究者たちは、量子作業の証明アプローチがそれを変える可能性があると示唆しています。量子計算は、まだコストは高いものの、PoWマイニングと比較するとエネルギー消費量はわずかです。研究者たちは、彼らのシステムにおけるエネルギー使用量は量子計算コストのわずか0.1%にすぎず、PoQは従来のマイニングと比較して1,000倍のエネルギー効率を実現できる可能性があると述べています。
量子ブロックチェーンは、古典的なPoWのもう一つの重要な限界であるスケーラビリティの問題も解決します。量子ブロックチェーンは、量子計算に内在する不確実性があっても、より高いマイニング効率と安定したコンセンサスを実現します。
このシステムは、Bitcoinのアーキテクチャに最小限の変更を加えるだけで、量子演算を標準のブロックチェーンフレームワークに統合します。
量子ブロックチェーンの仕組み
この量子ブロックチェーンでは、高性能GPUやASICを使用して、鉱夫たちがブルートフォース暗号パズルを解く競争を行う代わりに、量子コンピュータを使用して、確率論的量子力学を用いてユニークなハッシュを生成します。このプロセスでは、データを量子システムにエンコードし、進化させた後、そのシステムの特性を測定してハッシュを生成します。これらの測定は本質的に確率論的であり、サンプリング・エラーやハードウェア・ノイズを考慮するメカニズムが必要です。
量子計算の結果の信頼性の低さを解決するために、研究者は「確率的な検証」を導入しました。マイナーとバリデータは、与えられた量子ハッシュが有効であるかどうかを評価するために、統計的な信頼度を使用します。「信頼に基づくチェーンワーク」と呼ばれる新しいパラメータは、量子計算の結果がどの程度信頼できるかに基づいて、認識されるマイニングの労力を調整します。
この確率論的コンセンサスシステムは、ブロックチェーンがフォークを処理する方法も変えます。無効なブロックが完全に拒否されるのではなく、それらにマイナス・ワークが割り当てられ、ネットワークが分裂することなくチェーンが回復できるようになります。これにより、量子出力の不整合によりブロックチェーン・ネットワークの一部分が恒久的に切断されるという致命的な障害モードを回避することができます。
実験結果
このシステムは、量子スピンガラス物理学に根ざした複雑な問題をそれぞれ解決する4つのD-Wave Advantage量子プロセッサを使用してテストされました。これらの問題は、古典的なコンピュータでは解決が不可能であるため、特に選ばれました。これにより、実行されている量子作業が偽造または複製されることがないことが保証されます。
各量子コンピュータは固定されたアーキテクチャを使用してブロックを処理し、マイナーは特定の数のゼロが先頭にくるハッシュが見つかるまで「ノンス」を調整しました。これは、Bitcoinのマイニングプロセスを反映したものです。しかし、このシステムでは、量子コンピュータのみが条件を満たすハッシュを生成することができました。
合計で、ブロックチェーンは100以上のマイナーを実行し、219のブロックブロードキャストを処理しました。これらのブロックの70%以上が、すべての参加者の合意により不変となり、量子計算のランダム性にもかかわらず、コンセンサスに達するシステムの能力を示しました。効率性は、最長のチェーンに結合されたブロックの数で測定されました。信頼に基づく検証を使用したチェーンは、単純なバイナリ検証を使用したチェーンよりも効率性が大幅に高いことが示されました。
近未来の量子応用
量子ブロックチェーンは、デジタル通貨の環境コストを削減するための前進の道筋を示しています。また、量子コンピュータが完全にフォールトトレランスやスケーラビリティを備えるようになる前であっても、早期に量子コンピュータを導入する現実的なインセンティブを提供します。
このアーキテクチャでは、量子コンピューティングのコスト（電気代ではありません）がボトルネックとなります。これにより、採掘センターは安価なエネルギーが得られる地域から、高度な量子コンピューティングインフラを持つ国や機関へと移転する可能性があります。
また、研究者らは、このアーキテクチャはより幅広い教訓をもたらすとも主張しています。例えば、量子テレポーテーションや耐故障性ハードウェアに依存する理論モデルとは異なり、彼らのブロックチェーンは現在利用可能なノイズ耐性中規模量子（NISQ）デバイス上で動作します。
「この研究は、量子コンピューティングの有意義な応用の概念実証という役割を超えて、既存の技術を用いた他の短期間での量子コンピューティング応用の可能性を強調しています」と、研究者らは記しています。
制限事項と今後の課題
このシステムはまだプロトタイプであり、商業的に展開できる量子ブロックチェーンを実現するには、まだ乗り越えるべきハードルがあります。
前述の通り、主な制限の1つはコストです。エネルギー使用量が削減されたとしても、量子コンピューティングの所要時間は依然として高く、利用可能量も限られています。現時点では、量子PoQは大規模展開には経済的に見合わないかもしれません。量子コンピューティングの進歩が続けば、これらのコストは軽減される可能性があると研究者らは示唆しています。
D-Waveマシンは、IBMやGoogleなどの企業が追求している量子コンピューティング・プラットフォームとは異なるモデルである量子アニーリングも使用しています。量子アニーリングは、特定の種類の問題に対しては非常に有効ですが、ゲートベースの量子システムと比較すると、その用途は現在ではより専門化されています。
また、セキュリティの課題もあります。従来のブロックチェーンは、決定論的な暗号ハッシュに依存しています。量子ハッシュの確率的な性質により、コンセンサスは不確実性を考慮する必要があります。研究者はこれに対応するシステムを設計しましたが、複雑さが増し、追加の安全対策が必要になる可能性があります。
今後、研究者らは、なりすまし耐性を向上させるために、量子もつれ検出やシャドウ・トモグラフィーなどのより高度な量子機能の統合を提案しています。また、QPUのベンチマークとキャリブレーションには、より小さい古典的シミュレーション可能な問題を使用することを提案しています。
ArXivはプレプリント・サーバーであり、これはその研究が正式にピアレビューされていないことを意味します。 特に量子コンピューティングのような変化の速い分野では、研究者はしばしばプレプリントを利用して研究に対するフィードバックを迅速に得ようとします。 しかし、正式なピアレビューによる研究は、科学的手法におけるゴールド・スタンダードです。
研究チームには、D-Wave Quantum Inc.のモハメド・H・アミン、ジャック・レイモンド、ダニエル・キン、フィラス・ハムゼ、ケルシー・ヘイマー、ジョエル・パスボルスキー、ウィリアム・ベルヌディ、アンドリュー・D・キング、サミュエル・コータスが含まれていました。
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