Thema der Arbeit

In zahlreichen Anwendungsbereichen wie Kryptowährungen, Personenidentifizierung, Lieferketten sowie im Finanz- und Gesundheitswesen ermöglichen Blockchain-Technologien eine effiziente und sichere Abwicklung von Transaktionen. Eine Blockchain besteht aus verketteten Datenblöcken und wird beispielsweise bei der Kryptowährung Bitcoin als digitales, für jeden einsehbares Kassenbuch verwendet. Bitcoin bildet ein dezentrales Peer-to-Peer-Netzwerk zwischen grundsätzlich misstrauischen Teilnehmern. Um Einigkeit darüber zu erzielen, welche Transaktionen als gültig angesehen und in die Blockchain aufgenommen werden, wird der sogenannte Proof of Work (POW) verwendet, der bei Bitcoin auch als Mining bezeichnet wird. Das Grundprinzip des POW-Konzepts basiert auf digitalen Einwegfunktionen, die schnell und reproduzierbar einen Output für einen beliebigen Input liefern. Das umgekehrte Problem, nämlich von einem gegebenen Output auf den entsprechenden Input zu schließen, ist analytisch nicht lösbar und erfordert Trial-and-Error. Während des POW wetteifern gewisse Teilnehmer des Netzwerks darum, in regelmäßigen Abständen Lösungen für dieses Problem zu finden. Dies ermöglicht es, neue Blöcke in die Blockchain einzufügen und für die geleistete Rechenarbeit eine Belohnung in Form von Bitcoins zu erhalten. Ein Nachteil dieses Konzepts ist, dass der POW des gesamten Bitcoin-Netzwerks enorme Mengen an Energie verbraucht, was zu einem weltweiten CO2-Ausstoß von über 100 Millionen Tonnen pro Jahr führt. Um eine Alternative mit reduziertem CO2-Fußabdruck für diesen rein digital ablaufenden Vorgang zu finden, besteht die Grundidee darin, einen praktikablen physikalischen POW Ansatz zu untersuchen. Hintergrund ist, dass es bei Prozessen in der Partikeltechnik aufgrund der komplexen Wechselwirkung zwischen Einzelpartikel, Kollektiv und Umgebung oft unmöglich erscheint, einen bestimmten Zustand (Input) anhand einer messbaren Größe (Output) zu bewerten.

Im Rahmen dieser Arbeit soll diese innovative Idee einer physikalischen Einwegfunktion weiter untersucht werden. Es ist vorgesehen, einen kommerziell erhältlichen Tintenstrahldrucker für die Herstellung von Haufwerken (physikalischer Zustand) zu verwenden. Der Drucker kann bei optimal gewählten Einstellungen eine reproduzierbare Menge von Partikeln (Pigmenten) in vorgegebener Reihenfolge auf einen Träger aufbringen. Die Erfassung einer probenspezifischen Größe erfolgt entweder mit einem Extinktionsspektrometer (Träger: Folie) oder mit einem Reflexionsspektrometer (Träger: Papier). Die Arbeitshypothese der geplanten physikalischen Einwegfunktion ist, dass aus dem gemessenen optischen Signal (Output) nicht auf die Art, Menge und Reihenfolge der gedruckten Pigmente geschlossen werden kann. Das Problem ist in diesem Fall nicht invertierbar (Sicherheit). Gleichzeitig wird gefordert, dass die gleiche Druckeinstellung ein Spektrum erzeugt, das sich auch bei mehrmaligem Drucken und Messen nicht signifikant ändert (Reproduzierbarkeit).

Die Aufgabenstellung dieser Arbeit baut auf einer vorangegangenen Studie zur Reproduzierbarkeit und Nicht-Invertierbarkeit auf. Es wurde ein erweiterbarer Datensatz von Spektren mehrerer Druckproben mit bis zu sechs Pigmentschichten untersucht. Im Sinne der Arbeitshypothese ist es erforderlich, die Nicht-Invertierbarkeit des physikalischen POW mit Hilfe von Klassifikations- und Regressionsalgorithmen durch Tests zu bestätigen. Sollte eine Invertierbarkeit möglich sein, ist eine Erhöhung der Komplexität erforderlich, die wiederum zu weiteren Tests der Nicht-Invertierbarkeit und Reproduzierbarkeit führt. Das übergeordnete Ziel der Arbeit ist es, ein bisher unbekanntes Maß zu definieren, das den Aufwand für die Trial-and-Error-Invertierung des physikalischen POW in Bezug auf ein zugehöriges Puzzle (Bestimmung der Druckeinstellungen für ein gegebenes Spektrum) quantifiziert. Dieses Maß bildet die Grundlage für weitere Abschätzungen des Arbeitsaufwands und der Skalierbarkeit des physikalischen POW.

Bei Interesse können sie sich gerne per Mail bei mir melden oder bei mir in Büro 009 vorbeischauen.