光學工作量證明 (oPoW)：加密貨幣挖礦的典範轉移

1. 簡介

本文介紹光學工作量證明 (oPoW)，這是一種新穎的共識演算法，旨在解決傳統電力密集型工作量證明 (PoW) 系統（如比特幣的 SHA256）固有的關鍵可擴展性、環境與中心化缺陷。作者認為，雖然 PoW 的安全性依賴於施加可驗證的經濟成本，但沒有根本理由讓此成本主要為營運成本（電力）而非資本支出（硬體）。oPoW 利用矽光子學的進步，創造一個主要成本為硬體（資本支出）的挖礦過程，從而大幅降低能源消耗（營運成本）。

2. 傳統工作量證明的問題

比特幣基於 Hashcash 的安全模型已被證明是穩健的，但伴隨著顯著的缺點：

• 能源密集度與環境影響：挖礦消耗的電力堪比中型國家，引發了永續性擔憂。
• 地理中心化：礦工聚集在電力便宜的地區（例如，歷史上中國的某些地區），創造了單點故障，並容易受到監管打擊或分割攻擊的影響。
• 與經濟波動的連結：網路算力對比特幣價格高度敏感。價格下跌可能使挖礦無利可圖，導致礦工迅速退出，並可能降低網路安全性。

3. 光學工作量證明 (oPoW) 概念

oPoW 提議將挖礦從電子計算轉向光子計算。其設計與現有的類 Hashcash 協定相容，但針對光子協同處理器進行了優化。

4. 技術細節與數學基礎

雖然論文未公開完整的專有演算法，但概述了 oPoW 基於修改後的雜湊函數 $H'(x)$，該函數在驗證上與標準雜湊函數（例如 SHA256）計算等效，但經過特別設計，以便在光子處理器上最有效地計算。

oPoW 中的「工作量」可能涉及解決一個能優雅映射到由 PIC 上的馬赫-曾德爾干涉儀 (MZI) 網格（光子矩陣處理器的常見架構）所執行操作的問題。該計算可以表述為尋找一個解向量 $\vec{s}$，使得：

$\vec{o} = M \cdot \vec{s} + \vec{n}$

其中 $M$ 是由光子電路實現的大型固定矩陣，$\vec{s}$ 是輸入（源自區塊數據和隨機數），而 $\vec{o}$ 必須滿足目標條件（例如，其雜湊值的前導零）。雜訊向量 $\vec{n}$ 可能代表固有的物理特性。尋找正確的 $\vec{s}$ 是暴力破解，但在專用硬體上每次評估都極其快速且低功耗。

5. 原型與實驗結果

論文展示了圖 1：oPoW 矽光子礦機原型。描述指出這是一個實驗室規模的設置，包含：

• 安裝在載板上的矽光子晶片。
• 用於雷射光的光纖輸入/輸出。
• 用於管理光子晶片並與區塊鏈網路介接的支援性電子控制電路（FPGA/CPU）。

宣稱的主要結果：

• 能源效率：光子處理器理論上每雜湊的能源效率比最先進的電子 ASIC 提高了 10-100 倍，因為光子元件產生的熱量極少，且光傳播本質上就是低功耗的。
• 速度：光子計算以晶片內的光速運行，為每個計算週期提供了延遲優勢。
• 驗證對等性：標準 CPU 可以像驗證標準 Hashcash 解一樣快速地驗證 oPoW 解，保持了網路的去中心化。

註：該論文為預印本 (arXiv:1911.05193v2)，並未提供針對商業 ASIC 的具體、經過同行評審的基準測試數據。

6. 分析師觀點：核心洞見與批判

核心洞見：Dubrovsky 等人不僅僅是在調整比特幣；他們試圖精準地替換其經濟引擎。真正的創新並非光子學本身，而是刻意將挖礦的成本基礎從消耗品（能源）重新架構為資本資產（硬體）。這從根本上改變了 PoW 的安全性和賽局理論，可能使其在地理上更具韌性，對環境的毒性更低。這是對加密貨幣面臨的 ESG（環境、社會和治理）清算的直接回應。

邏輯流程：論點引人注目：1) PoW 安全性需要成本，2) 當前成本是能源，導致問題 X, Y, Z，3) 我們能否讓成本變成硬體？4) 可以，透過光子學。5) 這解決了 X, Y, Z。邏輯清晰，但整個架構建立在兩個假設之上：光子硬體不僅能在此任務上表現優越，還能抵抗透過更先進電子技術（就像 ASIC 對 GPU 所做的那樣）進行的再貨幣化；以及資本成本本身足夠「浪費」以威懾不良行為者——這個前提受到沉沒成本謬誤和硬體轉售市場潛力的挑戰。

優勢與缺陷：

• 優勢：解決了比特幣的首要公關問題（能源）。促進去中心化。利用了真實且不斷進步的硬體趨勢（用於 AI 的矽光子學）。以資本支出為主導的模式確實可以穩定安全預算。
• 關鍵缺陷：論文缺乏公開、可審計的密碼學細節，帶有「透過隱晦實現安全」的意味。它可能創造一種新的、不同的中心化——圍繞著尖端光子製造廠（例如英特爾、格羅方德）的取得。過渡問題是巨大的：說服現有比特幣生態系統（其 ASIC 投資達數十億美元）採用 oPoW，是一場政治和經濟噩夢，堪比一次強效的硬分叉。正如 Biryukov 和 Khovratovich 等研究人員所指出的，挖礦與驗證效率之間的任何不對稱性都是一個潛在的漏洞。

可行洞見：

• 對投資者：關注橋接光子學與計算的公司（例如 Ayar Labs, Lightmatter）。oPoW 可能不會推翻比特幣，但它可能成為一個新的、「綠色」區塊鏈的創世核心，吸引具有 ESG 授權的機構資本。
• 對開發者：將其視為下一代共識設計的藍圖。核心思想——為特定、有利的硬體典範設計 PoW——是強大的。首先探索混合模型或其在小規模、目標驅動的網路中的應用。
• 對產業：這是一次可信的警告。比特幣社群不能再將能源擔憂視為 FUD（恐懼、不確定性、懷疑）。即使 oPoW 失敗，它也迫使 ASIC 製造商大幅提高效率，並推動其他項目（就像以太坊轉向權益證明那樣）尋求替代方案。這場對話已經永久性地改變了。

7. 分析框架：非程式碼案例研究

案例：為一個注重永續性的區塊鏈評估新的 PoW 演算法。

框架應用：

1. 問題定義：我們的區塊鏈必須為安全性付出實體成本，但需要比 SHA256 減少 >70% 的能源使用，以符合永續性承諾。
2. 解決方案篩選 (oPoW 評估)：
   • 安全性：它是否施加了可驗證的、不對稱的成本？是（專用硬體）。
   • 效率：它是否達到能源減排目標？宣稱可以，需要獨立審計。
   • 去中心化：硬體是否可能廣泛取得？風險：高昂的初始成本和專業製造可能限制早期取得。
   • 採用路徑：我們能否用它啟動？作為新鏈是可能的，對比特幣遷移則不可能。
3. 決策：oPoW 是一個高潛力、高風險的候選方案。繼續進行一個資助的研究聯盟，以建立開源原型，並發布針對 ASIC 的嚴格基準測試。同時，設計一個激勵分散式硬體製造的代幣經濟模型。

8. 未來應用與發展藍圖

短期 (1-3 年)：

• 開發完全開源的 oPoW 演算法規格和參考光子晶片設計。
• 啟動小規模測試網（類似比特幣早期），以在實踐中驗證安全性和去中心化假設。
• 針對性地應用於私有/聯盟區塊鏈，用於 ESG 報告或綠色金融，其中能源效率是直接的監管或行銷優勢。

中期 (3-7 年)：

• 如果測試網成功，將啟動一個以 oPoW 為核心的主要新公共加密貨幣，定位為「綠色比特幣」。
• 可能作為現有區塊鏈（例如，合併挖礦的側鏈）的節能第二層進行整合。
• 光子晶片製造技術進步，降低成本，提高可及性。

長期與融合：

• oPoW 硬體可雙重用途作為 AI 推論的加速器，為礦工創造混合經濟模型。
• 其原理可能啟發「有用工作量證明」，其中光子計算也解決可驗證的、現實世界的科學問題（例如，蛋白質折疊模擬）。
• 可能由 NIST 等機構對光子雜湊函數進行標準化，類似於後量子密碼學標準。

9. 參考文獻

1. Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System.
2. Back, A. (2002). Hashcash - A Denial of Service Counter-Measure.
3. Dwork, C., & Naor, M. (1992). Pricing via Processing or Combatting Junk Mail. CRYPTO '92.
4. Biryukov, A., & Khovratovich, D. (2014). Equihash: Asymmetric Proof-of-Work Based on the Generalized Birthday Problem. IACR Cryptology ePrint Archive.
5. Shen, Y., et al. (2017). Deep learning with coherent nanophotonic circuits. Nature Photonics. （關於光子 AI 處理器的外部來源）
6. Buterin, V. (2022). Merge Complete. Ethereum Foundation Blog. （關於重大共識變更可行性的外部來源）