فهرست مطالب
مقایسه مصرف انرژی
72,000 گیگاوات
انرژی استخراج بیت‌کوین در هر 10 دقیقه
کاهش هزینه
33%
صرفه‌جویی بالقوه در هزینه انرژی
مزیت کوانتومی
50+
کیوبیت قابل اطمینان مورد نیاز
1. مقدمه
فرآیندهای استخراج ارز دیجیتال، به‌ویژه برای بیت‌کوین، مقادیر عظیمی انرژی مصرف می‌کنند که تقریباً یک‌سوم ارزش بازار ارز دیجیتال را تشکیل می‌دهد. فرآیند اصلی استخراج بر تابع هش رمزنگاری SHA-256 متکی است که در سیستم‌های محاسباتی کلاسیک به منابع محاسباتی فشرده نیاز دارد.
محاسبات کوانتومی از طریق ویژگی‌های ذاتی عملیات کم‌انرژی، راه‌حل امیدوارکننده‌ای برای این بحران انرژی ارائه می‌دهد. برخلاف سخت‌افزار کلاسیک (CPU، GPU، ASIC)، سخت‌افزار کوانتومی بدون توجه به ظرفیت کیوبیت، مصرف انرژی تقریباً ثابتی حفظ می‌کند و تنها الکترونیک رابط و سیستم‌های خنک‌کننده به مصرف انرژی کم کمک می‌کنند.
نکات کلیدی
- سخت‌افزار کوانتومی انرژی بسیار کمتری نسبت به جایگزین‌های کلاسیک مصرف می‌کند
- رایانه‌های کوانتومی فعلی با محدودیت‌های اندازه مواجه هستند (حداکثر 50 کیوبیت قابل اطمینان)
- ماهیت احتمالاتی فیزیک کوانتوم نیاز به رابط‌های کلاسیک تکمیلی دارد
- پیاده‌سازی کوانتومی SHA-256 امکان‌سنجی عملی را نشان می‌دهد
2. روش‌ها و مواد
2.1 تابع هش SHA-256
الگوریتم SHA-256 پیام‌های ورودی را از طریق 64 دور از توابع فشرده‌سازی پردازش می‌کند و از عملیات منطقی شامل AND، OR، XOR و چرخش بیتی استفاده می‌کند. نمایش ریاضی عملیات SHA-256 را می‌توان به صورت زیر بیان کرد:
$Ch(E,F,G) = (E \land F) \oplus (\neg E \land G)$
$\Sigma_0(A) = (A \ggg 2) \oplus (A \ggg 13) \oplus (A \ggg 22)$
$\Sigma_1(E) = (E \ggg 6) \oplus (E \ggg 11) \oplus (E \ggg 25)$
2.2 مبانی محاسبات کوانتومی
محاسبات کوانتومی از پدیده‌های مکانیک کوانتومی مانند برهم‌نهی و درهم‌تنیدگی استفاده می‌کند. واحد اساسی کیوبیت است که به صورت زیر نمایش داده می‌شود:
$|\psi\rangle = \alpha|0\rangle + \beta|1\rangle$ که در آن $|\alpha|^2 + |\beta|^2 = 1$
درگاه‌های کوانتومی مورد استفاده در پیاده‌سازی ما شامل درگاه‌های هادامارد ($H$)، درگاه‌های پائولی-X و درگاه‌های کنترل-NOT (CNOT) است که اساس پیاده‌سازی مدار کوانتومی برای عملیات منطقی کلاسیک را تشکیل می‌دهند.
2.3 پیاده‌سازی کوانتومی SHA-256
پیاده‌سازی کوانتومی SHA-256 ما عملیات منطقی کلاسیک را با استفاده از عملیات XOR کوانتومی (CNOT) و درگاه‌های توفولی کوانتومی برای عملیات AND به مدارهای کوانتومی نگاشت می‌کند. طراحی مدار کوانتومی از ساختار کلاسیک SHA-256 پیروی می‌کند اما بر روی حالت‌های کوانتومی عمل می‌کند.
3. نتایج تجربی
پیاده‌سازی ما بر روی رایانه‌های کوانتومی IBM QX و شبیه‌سازهای کوانتومی آزمایش شد. نتایج اجرای موفقیت‌آمیز عملیات کوانتومی SHA-256 را با کاهش قابل توجه مصرف انرژی در مقایسه با پیاده‌سازی‌های کلاسیک نشان می‌دهد.
جدول 1: مقایسه مصرف انرژی
| نوع سخت‌افزار | مصرف انرژی (کیلووات‌ساعت) | نرخ هش |
|---|---|---|
| ASIC کلاسیک | 1,350 | 14 تراهش بر ثانیه |
| رایانه کوانتومی | 45 | کارایی معادل |
پیاده‌سازی کوانتومی به کاهش 97 درصدی مصرف انرژی دست یافت در حالی که سطوح امنیتی رمزنگاری معادل را حفظ کرد. ماهیت احتمالاتی اندازه‌گیری‌های کوانتومی از طریق کدهای تصحیح خطا و دورهای اجرای متعدد کاهش یافت.
4. تحلیل فنی
تحلیل اصلی: مزیت کوانتومی در استخراج ارز دیجیتال
این تحقیق رویکردی انقلابی برای حل مشکل حیاتی مصرف انرژی در استخراج ارز دیجیتال از طریق پیاده‌سازی محاسبات کوانتومی ارائه می‌دهد. کار نویسندگان بر اساس اصول اساسی هش کوانتومی که توسط Ablayev و Vasiliev [6] پایه‌گذاری شده، بنا شده و آن‌ها را به پیاده‌سازی عملی SHA-256 گسترش می‌دهد. ادعاهای بهره‌وری انرژی با ویژگی‌های ثابت‌شده محاسبات کوانتومی که توسط IBM Research و Google Quantum AI مستند شده‌اند، همسو است، جایی که پردازنده‌های کوانتومی در دمای نزدیک به صفر با حداقل نیازهای انرژی در مقایسه با ابررایانه‌های کلاسیک عمل می‌کنند.
پیاده‌سازی فنی نوآوری قابل توجهی در نگاشت عملیات رمزنگاری کلاسیک به مدارهای کوانتومی نشان می‌دهد. برخلاف رویکردهای محاسباتی برگشت‌پذیر کلاسیک که اغلب به سربار قابل توجهی نیاز دارند، این پیاده‌سازی کوانتومی SHA-256 از برگشت‌پذیری ذاتی عملیات کوانتومی استفاده می‌کند. استفاده از درگاه‌های CNOT برای عملیات XOR و درگاه‌های توفولی برای عملیات AND از اصول طراحی مدار کوانتومی ثابت‌شده مشابه آن‌هایی که در مدارهای حسابی کوانتومی توصیف شده در "محاسبات کوانتومی و اطلاعات کوانتومی" نیلسن و چوانگ استفاده می‌شود، پیروی می‌کند.
با این حال، این تحقیق با چالش اساسی محدودیت‌های سخت‌افزار کوانتومی فعلی مواجه است. با حداکثر تعداد کیوبیت قابل اطمینان حدود 50-100 در سیستم‌های فعلی مانند پردازنده Osprey آی‌بی‌ام (433 کیوبیت با اتصال محدود) یا Sycamore گوگل (53 کیوبیت)، پیاده‌سازی کامل SHA-256 همچنان چالش‌برانگیز است. خروجی 256 بیتی به منابع کوانتومی قابل توجهی نیاز دارد و نرخ خطا در دستگاه‌های NISQ (کوانتومی مقیاس متوسط پُرنویز) فعلی موانع اضافی ایجاد می‌کند. این با چالش‌های شناسایی‌شده در باغ الگوریتم کوانتومی نگهداری‌شده توسط گروه QuAIL ناسا همسو است، جایی که پیاده‌سازی‌های کوانتومی در مقیاس بزرگ الگوریتم‌های کلاسیک همچنان آزمایشی باقی مانده‌اند.
ماهیت احتمالاتی اندازه‌گیری کوانتومی، اگرچه توسط نویسندگان تصدیق شده، نیاز به راهبردهای کاهش خطای دقیق‌تری دارد. تکنیک‌هایی مانند تصحیح خطای کوانتومی، کدهای سطحی یا کدهای تکرار برای استقرار عملی ضروری خواهند بود. مقایسه با سخت‌افزار استخراج ASIC کلاسیک بهره‌وری انرژی امیدوارکننده‌ای نشان می‌دهد، اما مقیاس‌پذیری همچنان عامل حیاتی برای پذیرش در دنیای واقعی باقی می‌ماند. با پیشرفت سخت‌افزار کوانتومی به سمت سیستم‌های تحمل‌پذیر خطا، این تحقیق پایه ارزشمندی برای استخراج انرژی‌کارآمد ارز دیجیتال در عصر کوانتوم فراهم می‌کند.
5. پیاده‌سازی کد
پیاده‌سازی درگاه CNOT کوانتومی
# پیاده‌سازی XOR کوانتومی (CNOT) برای SHA-256
from qiskit import QuantumCircuit, QuantumRegister
# مقداردهی اولیه ثبات‌های کوانتومی
qreg = QuantumRegister(2, 'q')
circuit = QuantumCircuit(qreg)
# پیاده‌سازی درگاه CNOT
# این عملیات XOR کوانتومی را پیاده‌سازی می‌کند
circuit.cx(qreg[0], qreg[1])
# اندازه‌گیری برای رابط کلاسیک
circuit.measure_all()
print("مدار XOR کوانتومی برای SHA-256:")
print(circuit)شبه‌کد تابع فشرده‌سازی کوانتومی SHA-256
function quantum_sha256_compress(message_block, current_hash):
# مقداردهی اولیه ثبات‌های کوانتومی برای متغیرهای کاری
quantum_vars = initialize_quantum_registers(8)
# گسترش برنامه پیام با استفاده از عملیات کوانتومی
for round in range(64):
# پیاده‌سازی کوانتومی توابع Ch و Maj
ch_result = quantum_ch_function(quantum_vars[4], quantum_vars[5], quantum_vars[6])
maj_result = quantum_maj_function(quantum_vars[0], quantum_vars[1], quantum_vars[2])
# توابع سیگمای کوانتومی
sigma0 = quantum_sigma0(quantum_vars[0])
sigma1 = quantum_sigma1(quantum_vars[4])
# به‌روزرسانی متغیرهای کاری کوانتومی
update_quantum_variables(quantum_vars, ch_result, maj_result, sigma0, sigma1)
# اندازه‌گیری نهایی و خروجی کلاسیک
return measure_quantum_state(quantum_vars)6. کاربردهای آینده
پیاده‌سازی کوانتومی SHA-256 راه‌های متعددی برای کاربردهای آینده باز می‌کند:
- مزارع استخراج ترکیبی کوانتومی-کلاسیک: ادغام پردازنده‌های کوانتومی با زیرساخت استخراج کلاسیک برای انتقال تدریجی
- ارزهای دیجیتال امن کوانتومی: توسعه ارزهای دیجیتال جدید طراحی‌شده به‌طور خاص برای سخت‌افزار کوانتومی
- ابتکارات بلاکچین سبز: شبکه‌های بلاکچین پایدار محیط زیستی با بهره‌گیری از بهره‌وری انرژی کوانتومی
- استخراج رمزنگاری پسا-کوانتومی: سازگاری برای استخراج ارزهای دیجیتال با استفاده از الگوریتم‌های مقاوم در برابر کوانتوم
جهت‌های تحقیقاتی آینده شامل بهینه‌سازی عمق مدار کوانتومی، توسعه راهبردهای کاهش خطا برای دستگاه‌های کوانتومی پُرنویز و بررسی رویکردهای تبرید کوانتومی برای استخراج ارز دیجیتال است.
7. مراجع
- Nielsen, M. A., & Chuang, I. L. (2010). Quantum Computation and Quantum Information. Cambridge University Press.
- Ablayev, F., & Vasiliev, A. (2014). Cryptographic quantum hashing. Laser Physics Letters, 11(2), 025202.
- IBM Quantum Experience. (2023). IBM Quantum Processor Specifications. IBM Research.
- Google Quantum AI. (2022). Quantum Supremacy Using a Programmable Superconducting Processor. Nature, 574(7779), 505-510.
- National Institute of Standards and Technology. (2022). Post-Quantum Cryptography Standardization. NIST.
- Orun, A., & Kurugollu, F. (2023). Quantum SHA-256 Implementation for Energy-Efficient Cryptocurrency Mining. Journal of Quantum Computing and Cryptography.
- Merkle, R. C. (1978). Secure communications over insecure channels. Communications of the ACM, 21(4), 294-299.
- Diffie, W., & Hellman, M. (1976). New directions in cryptography. IEEE Transactions on Information Theory, 22(6), 644-654.