Kvantové počítače, blockchain a boson sampling

Nově publikovaná vědecká studie vypracovaná týmem výzkumníků z australských a amerických univerzit ve spolupráci se společností BTQ, která se zabývá kvantovými technologiemi, vytvořila návrh pro zcela nový koncept konsensuálního mechanismu proof-of-work (PoW), který je založen na tzv. boson samplingu.

Navrhovaný systém proof-of-work, známý jako “proof-of-work consensus by quantum sampling”, využívá techniky kvantových výpočtů k dosažení rychlejšího a energeticky účinnějšího schvalování transakcií. Tradiční algoritmy PoW používané například v Bitcoinu (BTC) jsou známé svou pomalou rychlostí zpracování a vysokou spotřebou energie, což by se mohlo díky kvantovým počítačům řádově zlepšit.

Ve vědecké práci se dále uvádí, že mezi další výhody navrhovaného systému patří to, že s přibývajícím počtem kvantových těžebních strojů v síti se zvyšuje obtížnost těžby a tedy i hashrate, čímž je zajištěna konzistentní doba těžby bloků.

A právě to motivuje účast samotných “kvantových minerů” v síti.

Co je to boson sampling a jak funguje?

Aby jsem pochopili co je to boson sampling, nejdříve musíme pochopit, co jsou bosony. Bosony jsou částice, které mají celočíselný hodnotu spinu, což je vlastnost částice, která je zodpovědná za její moment hybnosti a vlastnosti v kvantové fyzice.

Bosony se vyskytují v různých druzích, jako jsou fotony (kvanta elektromagnetického pole), higgsovy bosony (zodpovědné za hmotnost částic) a bosony sloučeného slabého náboje (zprostředkovávající slabé jaderné interakce). Pro potřeby samotného boson samplingu nás však budou zajímat bosony jako fotony, tedy kvanta elektromagnetického pole.

Jedna z klíčových vlastností bosonů jako takových je jejich schopnost shlukovat se do stejného kvantového stavu. To znamená, že více bosonů může existovat ve stejném kvantovém stavu, což vede k jevu nazývanému bosonový kondenzát.

Boson sampling je termín používaný v kvantové výpočetní fyzice a odkazuje se na experimentální postup, který využívá kvantové přesmyčky fotonů (bosonů) k provádění konkrétních výpočtů. Paradoxně, jedná se o poměrně jednoduchý typ kvantového počítání, který se zaměřuje na výpočet pravděpodobnostního rozdělení fotonů, kteří procházejí složitým optickým obvodem.

Zde je jednoduchý popis fungování boson samplingu:

1. Příprava počátečního stavu – na začátku experimentu jsou připraveny fotonové paprsky (bosony) ve specifickém počátečním stavu, například ve vstupních optických vláknech.
2. Optický obvod – fotonové paprsky jsou následně směřovány optickým obvodem, který je složen z různých optických prvků, jako jsou čočky, zrcadla a interferometry. Tyto prvky slouží k “přesmyčkování” a kombinování fotonů.
3. Interference fotonů – v optickém obvodu fotonové paprsky procházejí různými cestami a následně se interferují, což znamená, že se jejich amplitudy sčítají nebo ruší v závislosti na jejich fázovém nastavení. Tímto způsobem se vytváří interferenční vzory na výstupu.
4. Měření výstupu – na konci optického obvodu jsou umístěny detektory, které slouží k měření pravděpodobností, s jakými foton dopadá na jednotlivé detektory. Zaznamenávají se tedy počty fotonů, které se dostanou na různé výstupní pozice.

Výsledkem boson samplingu je pravděpodobnostní rozdělení fotonů na výstupu detektorů. Toto rozdělení je ovlivněno interferencí fotonů v optickém obvodu a poskytuje informace, které nelze snadno simulovat na klasickém počítači. Problém spočívá v tom, že výpočet pravděpodobností pro takový systém roste exponenciálně s počtem fotonů a detektorů, což je obtížné provést na klasickém počítači efektivně. Právě proto nás s novým kvantovým blockchainem čeká i nový kvantový hardware.

A jak boson sampling vysvětlit mnohem jednodušeji, aby mu pochopilo i malé dítě? Boson sampling je jako hra, kde se fotony pohybují v optickém obvodu, který je postaven z různých zrcadel a čoček.

Představte si, že tyto fotony jsou jako malé míčky, které hrají hru ve skleněném bludišti. Když se fotony pohybují bludištěm, odrazí se od zrcadel a projdou čočkami, což jim umožní změnit směr. Na konci bludiště jsou malé detektory, které zaznamenávají, kde každý foton skončí.

Cílem boson samplingu je zjistit, jak se tyto fotony rozprostřou na detektorech po skončení jejich cesty bludištěm. Je to prakticky (kvantové) počítání, kolik míčků skončí na každém konkrétním místě.

Tato hra je zajímavá, protože je velmi obtížné přesně předpovědět, kde každý foton skončí a právě to je důvod, proč boson sampling vyžaduje speciální optický obvod a výpočetní schopnosti kvantového světa.

V kvantové výpočetní technice se nejedná o nový koncept

Přestože samotný boson sampling není v kvantové výpočetní technice novým konceptem, jeho aplikace v technologii blockchain představuje jedinečnou příležitost – využití boson samplingu bylo totiž dříve omezeno pouze na určitá průmyslová odvětví.

Výzkumníci navíc vysvětlili, že kvantový hardware má v kontextu těžby blockchainu oproti klasickým superpočítačům přirozenou výhodu, a to vzhledem k jeho potenciálu ověřovat transakce mnohem účinněji než klasický hardware.

Navrhované spojení kvantových výpočtů a technologie blockchainu tak otevírá nové možnosti pro budoucnost kryptoměn a decentralizovaných systémů, což by to mohlo pozitivně ovlyvnit kryptoměnovou adopci a také vydláždit cestu k rychlejším, bezpečnějším a ekologičtějším blockchainovým sítím.