量子PoW与区块链的五大核心问题

注：本文作者符博翔系澳洲麦考瑞大学量子工程在读博士，其于近期发表与量子工作证明相关的学术论文，本文为该论文的概述版，以方便读者阅读。

1.基于量子计算技术的工作量证明（PoW）方案

简单来说，量子工作量证明（Quantum Proof of Work）是通过量子力学里的独特特征（比如说量子纠缠，不确定性原理等）来更有效的证明一名用户耗时适当的复杂运算来担保服务与资源是被真正的需求所使用（https://baike.baidu.com/item/%E5%B7%A5%E4%BD%9C%E9%87%8F%E8%AF%81%E6%98%8E/22448498解释的会比我好一些）。我们的方案是通过“玻色取样”问题（也就是让N个光子通过一些激光分束器最终到M个出口。光子在设备里会被不断的干涉以及折射）来创造一个很难的运算问题。经典电脑解决这个问题需要通过解决一个很大矩阵的积和式，量子电脑是要通过不断的“玻色取样”来建造出一个抽样分布。通过对比这个分布的特征，我们能判断出这位用户是否真正的消耗了运算去担保他的数据。采纳那些真正消耗了运算的用户的数据来达成共识，并成功的在区块链上加上新的一个区块（请看下面的图，在文章里的第10页）。

2.量子工作量证明与传统的工作量证明相比有何特点和优势

目前我能想到两个优势。第一个就是量子PoW能很大程度的减少能源消耗（参考3.）。第二就是量子PoW的采纳能促进量子电脑的研发以及应用。量子电脑在接下来的几十年里必定会有很大的影响力。“玻色取样”的量子电脑属于一些近几年能实现的技术（统称为noisy intermediate scale quantum (NISQ) devices）。量子PoW能够有效的促进量子行业的长期发展。

3.量子计算机能比经典系统更有效的验证共识吗？

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不能说是“更有效”，毕竟“有效”这个无法衡量。但通过“玻色取样”的基础，我们预测能大大减少工作量证明的能源消耗。在25个光子的假设下，我们预测量子PoW相对于经典PoW能减少1563倍能源消耗，以及对比超级计算机少消耗29569倍能量。

4.量子工作量证明（PoW）可以说是比特币共识的未来？

这么说我觉得不对。量子电脑不是经典电脑的取代品，反而是个互补品。比特币以及经典工作量共识将来也会有很大的应用，但在一些特殊的问题下（比如说RSA解密，量子搜索等），量子电脑以及量子力学独特的特征会带来很大的优势。所以，我认为量子PoW并不是经典PoW的取代品，并更是一个互补的共同存在。

5.量子工作量证明（PoW）局限性

目前量子PoW的局限是我们现在有一个良好的理论框架，下一步就是要把这个理论在现实世界里实施出来。在现在可实现的科技基础下，单光子准备和检测概率大概在90%左右，以及激光分束器传输概率大概在99.99%左右。下一步就是要把这些概率提高，并让实体装备更接近于理论框架假设的场景。因为我们的方案采用的是“玻色取样”问题，我们希望这个技术能在近几年里实现。

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