[論文レビュー] A Primer on Security of Quantum Computing Hardware

Swaroop Ghosh, Suryansh Upadhyay+1 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2023

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、量子コンピューティングにおけるハードウェアセキュリティの脅威について包括的な概説を提供し、サプライチェーン、キュービット技術、コンパイラーパイプラインにおける脆弱性を特定する。攻撃を防ぐための対策として、電力サイドチャネル攻撃を防ぐためにRZゲートの挿入を提案するとともに、ハードウェア、ソフトウェア、アルゴリズムの各層における量子システムセキュリティに関する体系的でない研究の必要性を提起する。

ABSTRACT

Quantum computing is an emerging computing paradigm that can potentially transform several application areas by solving some of the intractable problems from classical domain. Similar to classical computing systems, quantum computing stack including software and hardware rely extensively on third parties many of them could be untrusted or less-trusted or unreliable. Quantum computing stack may contain sensitive Intellectual Properties (IP) that requires protection. From hardware perspective, quantum computers suffer from crosstalk that couples two programs in a multi-tenant setting to facilitate traditionally known fault injection attacks. Furthermore, third party calibration services can report incorrect error rates of qubits or mis-calibrate the qubits to degrade the computation performance for denial-of-service attacks. Quantum computers are expensive and access queue is typically long for trusted providers. Therefore, users may be enticed to explore untrusted but cheaper and readily available quantum hardware which can enable stealth of IP and tampering of quantum programs and/or computation outcomes. Recent studies have indicated the evolution of efficient but untrusted compilation services which presents risks to the IPs present in the quantum circuits. The untrusted compiler can also inject Trojans and perform tampering. Although quantum computing can involve sensitive IP and private information and can solve problems with strategic impact, its security and privacy has received inadequate attention. This paper provides comprehensive overview of the basics of quantum computing, key vulnerabilities embedded in the quantum systems and the recent attack vectors and corresponding defenses. Future research directions are also provided to build a stronger community of quantum security investigators.

研究の動機と目的

• 量子コンピューティングハードウェアスタックにおける重要なセキュリティおよびプライバシー上の脆弱性を特定・分析すること、特にマルチテントや第三者環境において。
• 量子ハードウェアサプライチェーンにおける信頼できない第三者が引き起こすリスクを強調すること、特に製造、キャリブレーション、コンパイラーサービスにおいて。
• 量子回路内の機密知的財産（IP）および個人情報がサイドチャネル攻撃や改ざんによって露呈される仕組みを検討すること。
• 電力サイドチャネル攻撃を軽減するための実用的防御メカニズム、たとえば仮想RZゲートの挿入を提案すること。
• ハードウェア、ソフトウェア、アルゴリズムの各層にわたる量子コンピューティングシステムのセキュリティを強化するための今後の研究方向性を提示すること。

提案手法

• ハードウェア、ソフトウェア、第三者サービスの各要素に焦点を当てた、量子コンピューティングスタックの体系的分析を実施する。
• 脅威モデルを用いて攻撃表面を同定する。これには、故障インジェクション、サイドチャネル攻撃（例：電力ベース）、サプライチェーンの改ざんが含まれる。
• 任意の波形生成装置（AWG）を介して実装される仮想RZゲートを用いた防御メカニズムを提案する。これにより、電力トレースにおける制御パルス情報がマスキングされる。
• RZゲートが仮想的かつパルスを発生させないため、電力サイドチャネルでは検出不能であり、量子回路の逆解析を困難にする。
• 攻撃者による不確実性を高めるために、同等のRZベースのシーケンスにゲートをランダムに置き換えるようなオブスクリューション技術の統合を提言する。
• 特に新興のキュービット技術（例：超伝導、シリコンスピン、トポロジカルキュービット）に跨る、ハードウェア固有の脆弱性に関するクロスレイヤー研究の必要性を訴える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルチテント環境や第三者環境において、量子コンピューティングシステムに及ぼされる主なハードウェアレベルの脅威は何か？
• RQ2 電力ベースの分析のようなサイドチャネル攻撃が、どのように量子制御パルスから機密情報を抽出できるか？
• RQ3 信頼できないコンパイラーまたはキャリブレーションサービスが、量子プログラムおよびIPの整合性と機密性をどのように損なう可能性があるか？
• RQ4 多様なキュービット技術とそれらに伴うハードウェアスタックが、どのようなユニークなセキュリティ課題を引き起こすか？
• RQ5 オブスクリューションおよび回路変換技術（例：RZゲートの挿入）が、逆解析に対する量子回路のセキュリティをどのように強化できるか？

主な発見

• 量子コンピューティングハードウェアは、制御パルスにおけるクロストークおよび電力漏れのため、故障インジェクションおよびサイドチャネル攻撃に対して脆弱である。
• 第三者によるキャリブレーションサービスは、性能を低下させたり、誤ったエラーレートを報告したりすることで、サービス拒否攻撃を可能にする。
• 信頼できないコンパイラーはトロイの木馬を挿入したり、量子回路を改ざんしたりすることで、IPの盗難や計算の改ざんを引き起こす可能性がある。
• 電力サイドチャネル攻撃は、制御パルス情報の再構築を可能にし、量子回路の逆解析を可能にする。
• 物理的パルスを発生させない仮想RZゲートは、電力トレースにおいて検出不能であり、サイドチャネル分析に対する抵抗性を顕著に高める。
• 同等のRZベースのシーケンスへのゲートのランダムな置き換えにより、攻撃者の不確実性が増大し、回路の再構築が困難になる。これによりセキュリティが強化される。