Blockchain with proof of quantum work

我们提出了一种区块链架构，其中挖矿过程需要使用量子计算机。该共识机制基于量子工作量证明（Proof of Quantum Work），这是传统工作量证明的一种量子增强替代方案，它利用量子霸权使经典计算机无法有效进行挖矿。我们改进了区块链框架以适应量子力学的概率特性，从而确保系统稳定性，避免采样误差和硬件不精确性的影响。为了验证我们的方法，我们在北美地理分布的四台D-Wave™量子退火处理器上实现了一个原型区块链，并在数十万次量子哈希操作中展示了其稳定运行能力。我们的实验协议遵循近期量子霸权演示[1]所采用的方法，确保经典计算机无法高效完成相同的计算任务。通过用量子系统取代经典机器进行挖矿，可以显著降低区块链挖矿通常伴随的能源消耗和环境影响。除了作为量子计算有意义应用的概念验证外，这项工作还突显了利用现有技术开发其他近期量子计算应用的潜力。

该论文试图解决如何利用量子计算技术改进区块链的共识机制问题，特别是通过引入‘证明量子工作’（Proof of Quantum Work）来替代传统的‘证明工作’（Proof of Work）。这是一个新颖的问题，旨在探索量子计算在实际应用中的潜力，并减少传统区块链挖矿对环境的影响。

论文的关键思路是设计一种基于量子计算的共识机制，利用量子霸权（Quantum Supremacy）使经典计算机无法高效完成挖矿任务。与传统方法相比，这种方法不仅提高了安全性，还显著降低了能源消耗。此外，作者通过将量子退火处理器（如D-Wave系统）集成到区块链框架中，解决了量子计算中的概率性问题，确保了系统的稳定性。

论文展示了在四个地理分布的D-Wave量子退火处理器上实现稳定运行的原型区块链，验证了方案的实际可行性。实验涉及数以万计的量子哈希操作，并采用了与近期量子霸权演示相同的计算任务。此外，论文强调了其环保优势和作为近期内量子计算实际应用的潜力。虽然没有提及开源代码，但研究为未来结合量子计算和其他分布式系统的研究提供了方向。

近年来，量子计算在区块链领域的研究逐渐增多。例如，《Quantum-Safe Blockchain Using Lattice-Based Cryptography》探讨了后量子密码学在区块链中的应用；《Quantum Computing for Blockchain: A Survey》综述了量子计算与区块链结合的可能性；以及《Demonstrating Quantum Advantage with Shallow Circuits》讨论了浅层量子电路在特定任务中的优势。这些研究共同推动了量子计算在实际场景中的落地。