Thema der Arbeit

In zahlreichen Anwendungsbereichen wie Kryptowährungen, Personenidentifikation, 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 die Teilnehmer des Netzwerks darum, in regelmäßigen Abständen Lösungen für dieses Problem zu finden. Dies ermöglicht es, neue Blöcke in die Blockchain einzufügen und eine Belohnung in Form von Bitcoins für die geleistete Rechenarbeit 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 liegt die grundliege Idee darin, ein funktionierendes physikalisches POW Konzept zu untersuchen. Hintergrund ist der, dass bei Prozessen der Partikeltechnik aufgrund der komplexen Wechselwirkung zwischen Einzelpartikel, Kollektiv und Umgebung die Evaluation eines gewissen Zustandes (Input) auf Basis einer messbaren Größe (Output) oft unmöglich erscheint.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird diese innovative Idee einer physikalischen Einwegfunktion weiterführend untersucht. Die Verwendung eines handelsüblichen Tintenstrahldruckers ist für die Erstellung von Haufwerken (physikalischer Zustand) geplant. Der Drucker kann bei optimal gewählten Einstellungen eine reproduzierbare Menge an Partikeln (Pigmente) in zuvor festgelegter Reihenfolge auf einen Träger aufbringen. Die Aufzeichnung einer probenspezifischen Größe erfolgt entweder mit einem Extinktionsspektrometer (Träger: Folie) oder mit einem Reflexionsspektrometer (Träger: Papier). Die Arbeitshypothese der geplanten physikalischen Einwegfunktion besagt, dass aus dem gemessenen optischen Signal (Output) nicht auf die Art, Menge und Reihenfolge der gedruckten Pigmente geschlossen werden kann. Das Problem ist in einem solchen Fall nicht-invertierbar. Zeitgleich wird gefordert, dass dieselbe Druckeinstellung ein Spektrum generiert, dass sich auch bei mehrmaligem Drucken und Messen nicht signifikant verändert (Reproduzierbarkeit).

Die Aufgabenstellung dieser Arbeit baut auf einer vorherigen Studie zur Reproduzierbarkeit und Nicht-Invertierbarkeit auf. Untersucht wurde ein ausbaufähiger Datensatz an Spektren mehrerer Druckproben, die bis zu sechs Pigmentschichten enthalten. Im Sinne der Arbeitshypothese ist es erforderlich die Nicht-Invertierbarkeit des physikalischen POW mit Mitteln der Klassifizierungs- und Regressionsalgorithmen durch Tests zu bestätigen. Sollte eine Invertierung möglich sein ist eine Erhöhung der Komplexität notwendig, was wiederum in weiteren Tests zur Nicht-Invertierbarkeit und Reproduzierbarkeit mündet. Das übergeordnete Ziel der Arbeit besteht darin, eine bislang unbekannte Maßzahl zu definieren, die die aufzubringende Arbeit der Trial-and-Error-Invertierung des physikalischen POW in Relation zu einem zugehörigen Rätsel (Ermittlung der Druckeinstellungen für ein gegebenes Spektrum) quantifiziert. Diese Maßzahl bilden die Grundlage für weitere Abschätzungen des Arbeitsaufwandes und der Skalierbarkeit des physikalischen POW.