Breve
- Los investigadores de D-Wave han desarrollado y probado un prototipo blockchain que utiliza computadoras cuánticas para realizar la minería a través de un nuevo método de consenso llamado Prueba de trabajo cuántico.
- El sistema reemplaza a la minería clásica intensiva en energía con cálculos cuánticos que son inviables para máquinas clásicas, logrando una operación estable en cuatro procesadores cuánticos.
- Los resultados experimentales muestran el consenso mantenido en Blockchain y alcanzó hasta un 75% de eficiencia minera, lo que demuestra una ruta potencial hacia la infraestructura de blockchain escalable y de eficiencia energética.
Un equipo de investigadores de D-Wave ha construido y probado una cadena de bloques que solo se puede extraer utilizando computadoras cuánticas, marcando la primera aplicación del mundo real de la supremacía cuántica en la tecnología de blockchain.
El estudio, publicado en el servidor preimpresión ARXIV, describe un sistema prototipo de cadena de bloques que reemplaza la «prueba de trabajo» clásica intensiva de energía con un nuevo mecanismo de consenso llamado «prueba de trabajo cuántico». El enfoque requiere que las computadoras cuánticas resuelvan problemas complejos que las máquinas clásicas no pueden manejar de manera eficiente, lo que hace que la minería sea factible solo para los sistemas cuánticos con los recursos actuales.
«Hemos propuesto y probado con éxito una arquitectura de blockchain en la que se realiza la prueba de trabajo cuántico (POQ) en computadoras cuánticas», escriben los autores. «Nuestro enfoque introduce múltiples métodos de generación de hash basados en cuánticos, con niveles variables de complejidad dependiendo de las capacidades del hardware cuántico. Para abordar la naturaleza probabilística inherente de la generación y validación de hash cuántico, una propiedad inevitable de cualquier algoritmo de hash cuántico, desarrollamos técnicas para garantizar la estabilidad de la cadena de bloques».
Su prototipo se encontró con cuatro procesadores cuánticos D de onda D geográficamente distribuidos en América del Norte, lo que demuestra que una cadena de bloques alimentada por completo por el cálculo cuántico podría funcionar de manera estable en cientos de miles de operaciones de hashing.
Un cambio en la minería de blockchain
La prueba de trabajo es una forma de asegurar una cadena de bloques al exigir que las computadoras resuelvan rompecabezas difíciles antes de que puedan agregar nuevos datos. Esto hace que sea muy difícil para cualquiera hacer trampa, porque hacerlo requeriría grandes cantidades de energía informática y electricidad.
Es ese último bit lo que es problemático. Las cadenas de bloques tradicionales, particularmente aquellas como Bitcoin que usan Prueba de trabajo (POW), han generado críticas generalizadas debido a su uso excesivo de energía. Según el estudio, se proyecta que la minería de bitcoin solo consuma casi 176 terawatt-horas de electricidad en 2024, más que el consumo anual de electricidad de Suecia.
Los investigadores sugieren que un enfoque de prueba de trabajo cuántico podría cambiar eso. El cálculo cuántico, aunque aún caro, consume una fracción de la energía en comparación con la minería de POW. Los investigadores estiman que el uso de energía en su sistema asciende a solo el 0.1% del costo de la computación cuántica, lo que hace que Poq sea potencialmente 1,000 veces más eficiente en energía que la minería clásica, afirman los investigadores.
La cadena de bloques cuántica también resuelve otra limitación clave del POW clásico: la escalabilidad. La cadena de bloques cuántica logra una mayor eficiencia minera y un consenso estable, incluso bajo la incertidumbre inherente a la computación cuántica.
El sistema integra operaciones cuánticas en el marco de blockchain estándar con cambios mínimos en la arquitectura de Bitcoin.
Cómo funciona la cadena de bloques cuántica
En lugar de que los mineros corran para resolver un rompecabezas criptográfico de fuerza bruta con GPU o ASIC de alta potencia, esta cadena de bloques cuántica utiliza computadoras cuánticas para generar un hash único utilizando mecánica cuántica probabilística. El proceso implica codificar datos en un sistema cuántico, lo que le permite evolucionar y luego medir las propiedades de ese sistema para producir un hash. Estas mediciones son inherentemente probabilísticas, lo que requiere un mecanismo para tener en cuenta los errores de muestreo y el ruido de hardware.
Para abordar la falta de fiabilidad de los resultados cuánticos, los investigadores introdujeron la «validación probabilística». Tanto el minero como el validador usan niveles de confianza estadística para evaluar si un hash cuántico dado es válido. Un nuevo parámetro, llamado «trabajo en cadena basada en la confianza», ajusta el esfuerzo minero percibido en función de cuán confiable parece ser la producción cuántica.
Este sistema de consenso probabilístico también cambia la forma en que la cadena de bloques maneja las horquillas. En lugar de que los bloques no válidos sean rechazados directamente, se les asigna un trabajo negativo, lo que permite que la cadena se recupere sin divisiones de red. Esto ayuda a evitar un modo de falla fatal donde partes de la red blockchain se desconectan permanentemente debido a salidas cuánticas inconsistentes.
Resultados experimentales
El sistema se probó utilizando cuatro procesadores cuánticos de D-Wave Advantage, cada uno resolviendo un problema complejo enraizado en la física de vidrio de espín cuántico. Estos problemas fueron elegidos específicamente porque son inviables para resolver el uso de computadoras clásicas, asegurando que el trabajo cuántico que se realiza no pueda ser falsificado o replicado.
Cada computadora cuántica procesó los bloques utilizando una arquitectura fija, con mineros que ajustan «no Force» hasta que encontraron un hash con un cierto número de ceros principales, que sacuden el proceso de minería en bitcoin. Pero en este sistema, solo las computadoras cuánticas podrían generar hashes que cumplan con los criterios.
En total, la cadena de bloques corrió más de 100 mineros y procesó 219 transmisiones de bloques. Más del 70% de esos bloques se volvieron inmutables, acordados por todos los participantes, lo que demuestra la capacidad del sistema para alcanzar el consenso a pesar de la aleatoriedad de la computación cuántica. La eficiencia se midió por cuántos bloques se unieron a la cadena más fuerte. Las cadenas que utilizan una validación basada en la confianza mostraron una eficiencia significativamente mayor que las que usan una validación binaria simple.
Aplicación cuántica a corto plazo
Quantum Blockchain presenta un camino hacia adelante para reducir el costo ambiental de las monedas digitales. También proporciona un incentivo práctico para implementar computadoras cuánticas tempranas, incluso antes de que se vuelvan totalmente tolerantes o escalables.
En esta arquitectura, el costo de la computación cuántica, no la electricidad, se convierte en el cuello de botella. Eso podría alejar los centros mineros de las regiones con energía barata y hacia países o instituciones con infraestructura de computación cuántica avanzada.
Los investigadores también argumentan que esta arquitectura ofrece lecciones más amplias. Por ejemplo, a diferencia de los modelos teóricos que se basan en la teletransportación cuántica o el hardware tolerante a fallas, su cadena de bloques se ejecuta en dispositivos Quantos de escala intermedia (NISQ) ruidosos disponibles hoy en día.
«Más allá de servir como una prueba de concepto para una aplicación significativa de la computación cuántica, este trabajo destaca el potencial de otras aplicaciones de computación cuántica a corto plazo que utilizan la tecnología existente», escriben los investigadores.
Limitaciones y trabajo futuro
El sistema sigue siendo un prototipo, y los obstáculos permanecen antes de que una cadena de bloques cuántica pueda implementarse comercialmente.
Una de las principales limitaciones, como se mencionó, es el costo. El tiempo de computación cuántica sigue siendo costoso y limitado en disponibilidad, incluso a medida que se reduce el uso de energía. En la actualidad, Quantum Poq puede no ser económicamente viable para la implementación a gran escala. A medida que el progreso continúa en la computación cuántica, esos costos pueden mitigarse, sugieren los investigadores.
Las máquinas D-Wave también utilizan el recocido cuántico, un modelo diferente de las plataformas de computación cuántica perseguidas por compañías como IBM y Google. Los recocidos cuánticos ofrecen capacidades valiosas para ciertos tipos de problemas, aunque su uso es actualmente más especializado en comparación con los sistemas cuánticos basados en la puerta.
También está el desafío de la seguridad. Las cadenas de bloques clásicas se basan en hashes criptográficos deterministas. La naturaleza probabilística de los hashes cuánticos significa que el consenso debe explicar la incertidumbre. Aunque los investigadores diseñaron un sistema que se adapta a esto, agrega complejidad y puede requerir salvaguardas adicionales.
Mirando hacia el futuro, los investigadores sugieren integrar características cuánticas más sofisticadas, como testigos de enredos o tomografía por sombra para mejorar la resistencia a la parodia. También proponen el uso de problemas más pequeños y clásicamente simulables para comparar y calibrar las QPU.
ARXIV es un servidor previo a la impresión, lo que significa que el trabajo no ha sido oficialmente revisado por pares. Los investigadores a menudo usan preimpresiones para obtener retroalimentación sobre su trabajo rápidamente, especialmente en campos de rápido cambio, como la computación cuántica. Sin embargo, la investigación oficial de revisión por pares es el estándar de oro del método científico.
El equipo de investigación incluyó a Mohammad H. Amin, Jack Raymond, Daniel Kinn, Firas Hamze, Kelsey Hamer, Joel Pasvolsky, William Bernoudy, Andrew D. King y Samuel Kortas, todos de D-Wave Quantum Inc.
