Strategies for quantum-enabled Bitcoin miners
تستخدم هذه الورقة إطاراً قائماً على نظرية الألعاب لتوضيح أنه حتى مع وجود معدّني كمٍّ عدوانيين غير متواطئين يستخدمان قدرات إعادة التشغيل، فإن استراتيجيات التعدين الكمي المثلى لها تأثير ضئيل على عتبة هجوم الـ 51% لشبكة بيتكوين.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تخيل لعبة عالمية ضخمة من "تخمين الرقم"، حيث يحاول ملايين الأشخاص حل لغز في نفس الوقت. أول شخص يحل اللغز يحصل على حق كتابة الصفحة التالية في مذكرات رقمية ضخمة وغير قابلة للكسر تسمى "البلوكشين" (blockchain)، ويحصل على مكافأة بالعملات الرقمية. هكذا تعمل عملة البيتكوين. تم تصميم اللغز ليكون صعباً للغاية، بحيث لا تتمكن أي مجموعة بمفردها من الغش والسيطرة على اللعبة. وتسمى شبكة الأمان هذه "إثبات العمل" (Proof of Work). ولكن ماذا يحدث إذا أحضر شخص ما أداة فائقة القوة إلى اللعبة؟ في عالم الفيزياء الكمومية، هناك أداة خاصة تسمى "الحاسوب الكمومي" (quantum computer) يمكنه حل أنواع معينة من الألغاز بسرعة أكبر بكما من الحواسيب العادية، تماماً مثل امتلاك خاتم فك رموز سحري يمكنه استراق النظر إلى كل الأرقام دفعة واحدة. لقد كان العلماء قلقين من أنه إذا أصبحت هذه الحواسيب الكمومية كبيرة بما يكفي، فقد تكسر قواعد اللعبة، مما يسمح لجهة سيئة النوايا بالغش وإعادة كتابة التاريخ.
تتعمق هذه الورقة البحثية في سيناريو الـ "ماذا لو" المخيف هذا، ولكن مع لمسة مختلفة. فبدلاً من مجرد التساؤل عما إذا كان الحاسوب الكمومي قوياً بما يكفي للفوز، يسأل المؤلفون: "ماذا لو كان هناك اثنان من هؤلاء المنقبين الخارقين يتسابقان ضد بعضهما البعض؟". لقد استخدموا فرعاً من الرياضيات يسمى "نظرية الألعاب" (game theory)، وهي تشبه دراسة كيفية تصرف اللاعبين في لعبة فيديو عندما يحاولون التغلب على بعضهم البعض. السؤال الكبير هو: إذا تسابق منقبان كموميان للفوز باللغز، فهل ستجعل منافستهما اللعبة فوضوية للغاية لدرجة تؤدي إلى انهيار النظام بأكمله؟ لقد بنى المؤلفون محاكاة معقدة لمعرفة ما إذا كان هذان المتسابقان الرقميان السريعان يمكن أن يكسرا شبكة البيتكوين عن طريق الخطأ عبر إنشاء الكثير من "التفرعات" (forks) (حيث ينقسم السجل إلى نسختين مختلفتين)، وهو السبيل الرئيسي لحدوث هجوم الـ 51%.
سباق المنقبين الكموميين
تبدأ القصة مع شخصيتين، أليس وبوب. كلاهما منقبون كموميون، مما يعني أن لديهما إمكانية الوصول إلى حاسوب كمومي فائق السرعة مصمم خصيصاً لفك ألغاز البيتكوين. إنهما في سباق للعثور على "إثبات عمل" صالح قبل الآخر. في الأيام الخوالي، كان المنقبون يستمرون في تجربة الأرقام واحداً تلو الآخر. لكن أليس وبوب لديهما خدعة في جعبتهما: يمكنهما استخدام ما يسمى خوارزمية غروفر (Grover's algorithm). فكر في الأمر كالبحث في مكتبة ضخمة عن كتاب معين. أمين المكتبة العادي يتعين عليه فحص كل رف واحداً تلو الآخر. أما خوارزمية غروفر فهي تشبه وجود أمين مكتبة سحري يمكنه فحص المكتبة بأكملها دفعة واحدة، ليجد الكتاب في جزء بسيط من الوقت.
ومع ذلك، هناك عقبة. لاستخدام هذا السحر، يتعين على أليس وبوب الالتزام بمدة زمنية معينة من "وقت التفكير" (تسمى تكرارات غروفر - Grover iterations) قبل أن يتمكنا من التحقق مما إذا كانا قد وجدا الإجابة. إذا فكرا لفترة طويلة جداً، فقد يجدان الإجابة ولكنهما سيكونان بطيئين جداً في الصراخ بها أولاً. وإذا فكرا لفترة قصيرة جداً، فقد يصرخان بإجابة ليست صحيحة حتى. عليهما تحقيق توازن مثالي بين الذكاء والسرعة.
قدم المؤلفون أيضاً قاعدة جديدة مثيرة تسمى استراتيجية التعدين الكمومي الهجومية (AQMS). في اللعبة العادية، إذا وجد شخص آخر كتلة جديدة، فإنك تتخلص من عملك الحالي وتبدأ من جديد. ولكن مع استراتيجية AQMS، إذا سمعت أليس أو بوب أن كتلة قد وُجدت للتو، فإنهما لا يستسلمان. بدلاً من ذلك، يتوقفان فوراً عن التفكير، ويتحققان من تقدمهما الحالي، ويصرخان بأي إجابة لديهما، حتى لو لم تكن مثالية. هذا يشبه عداءً في سباق، بمجرد سماعه لمنافسه يعبر خط النهاية، يندفع فوراً نحو خط النهاية بكل ما تبقى له من خطوات، آملاً في التعادل أو الفوز. أدرك المؤلفون أنه إذا فعلت أليس وبوب ذلك، فسيخلق ذلك الكثير من الفوضى، مما يؤدي إلى المزيد من "التفرعات" حيث ينقسم البلوكشين مؤقتاً.
المحاكاة الكبرى
لمعرفة ما سيحدث، أعد المؤلفون محاكاة رقمية ضخمة. لقد أنشأوا شبكة بيتكوين افتراضية وألقوا بأليس وبوب فيها. تركوا هذين المنقبين الكموميين يلعبان اللعبة مراراً وتكراراً، مع تجربة استراتيجيات مختلفة لمعرفة أيهما سيفوز بأكبر قدر من المال. لقد نظروا في ثلاثة سيناريوهات مختلفة:
- صعوبة منخفضة: اللغز سهل (كما كان في الأيام الأولى للبيتكوين).
- صعوبة عالية: اللغز صعب جداً (كما هو الحال اليوم وفي المستقبل).
- المثالي: سيناريو نظري حيث يكون الحاسوب الكمومي مثالياً ويمكنه حل اللغز بأكته دفعة واحدة.
لقد أجروا المحاكاة لمدة 1,000,000 يوم للحصول على نظرة دقيقة للنتائج. أرادوا معرفة ما إذا كان "معدل التخلف" (stale rate) (عدد المرات التي ينقسم فيها البلوكشين ويضطر للإصلاح) سيصبح مرتفعاً جداً بحيث يسمح بهجوم الـ 51%. هجوم الـ 51% هو مثل مجموعة من الغشاشين يسيطرون على أكثر من نصف اللعبة، مما يسمح لهم بإنفاق نفس العملات مرتين أو مسح المعاملات.
النتائج: شبكة مطمئنة
إليك المفاجأة الكبرى: الشبكة آمنة.
حتى مع وجود منقبين كموميين فائق السرعة يتسابقان ضد بعضهما البعض ويستخدمان استراتيجية "عدم الاستسلام" الهجومية، لم يتمكنا من كسر اللعبة. في نظام الصعوبة العالية (الذي يمثل العالم الحقيقي اليوم والمستقبل القريب)، كانت الفوضى شبه معدومة. أظهرت المحاكاة أن المنقبين أنتجوا العدد المتوقع وهو 144 كتلة في اليوم، وكان عدد التفرعات ضئيلاً جداً لدرجة أنه يكاد يكون صفراً. كان "معدل التخلف" غير قابل للتمييز إحصائياً عن الشبكة العادية التي لا يوجد بها منقبون كموميون على الإطلاق. اتضح أنه عندما يكون اللغز صعباً بما يكفي، فإن الميزة الكمومية ليست كافية لخلق قدر خطير من الفوضى.
في أنظمة الصعوبة المنخفضة والمثالية، كانت الأمور أكثر فوضوية قليلاً. فقد ارتفع معدل التخلف، وفي بعض الأيام النادرة، اقترب من منطقة الخطر. ومع ذلك، حتى في هذه الحالات القصوى، لم يظل المعدل مرتفعاً بما يكفي للسماح بهجوم الـ 51% فعلياً. وجد المؤلفون أنه لكي يحدث هجوم الـ 51%، يجب أن يظل معدل التخلف فوق حد معين (1/3) لفترة طويلة، وليس ليوم واحد فقط. في محاكاتهم، انخفض المعدل تحت ذلك الخط فوراً.
كان هناك اكتشاف آخر مثير للاهتمام: في الأنظمة المنخفضة والمثالية، سيكون وجود هؤلاء المنقبين الكموميين مكتشفاً بشكل مؤكد إحصائياً. لأن استراتيجيتهم الهجومية تخلق الكثير من التفرعات، ستلاحظ بقية الشبكة أن شيئاً غريباً يحدث. الأمر يشبه إذا بدأ شخصان في الجري بسرعة كبيرة في ماراثون لدرجة أنهما يعيقان الجميع؛ سيلاحظ العداء الآخرون ذلك بالتأكيد.
الخلاصة
تخلص الورقة البحثية إلى أنه على الرغم من قوة الحواسيب الكمومية، إلا أن وجود اثنين منها يتسابقان ضد بعضهما البعض لن يؤدي إلى إسقاط البيتكوين. يقترح المؤلفون أنه حتى في أفضل السيناريوهات للمنقبين، تظل الشبكة آمنة. إن "استراتيجية التعدين الكمومي الهجومية" تزيد من عدد التفرعات المؤقتة، ولكن ليس بما يكفي لكسر النظام.
يلاحظ المؤلفون بحذر أن نموذجهم هو "أفضل حالة" للمنقبين. فهم لم يدرجوا الوقت الإضافي اللازم لإعداد الحاسوب الكمومي وبناء الأدوات، مما سيجعل المنقبين أبطأ والشبكة أكثر أماناً. كما أنهم نظروا فقط في منقبين اثنين؛ إذا كان هناك العديد غيرهم، أو إذا عملوا معاً، فقد تكون النتائج مختلفة. ولكن في الوقت الحالي، تنتهي القصة بتنهيدة ارتياح: شبكة البيتكوين لا تزال صامدة أمام تهديد هذين المتسابقين الكموميين السريعين.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.