[論文レビュー] CLOAQ: Combined Logic and Angle Obfuscation for Quantum Circuits

Vincent Langford, Shihan Zhao+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2026

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 0

ひとこと要約

CLOAQは論理ロックと位相オブスクフ, ...

ABSTRACT

In the realm of quantum computing, quantum circuits serve as essential depictions of quantum algorithms, which are then compiled into executable operations for quantum computations. Quantum compilers are responsible for converting these algorithmic quantum circuits into versions compatible with specific quantum hardware, thus connecting quantum software with hardware. Nevertheless, untrusted quantum compilers present notable threats. They have the potential to result in the theft of quantum circuit designs and jeopardize sensitive intellectual property (IP). In this work, we propose CLOAQ, a quantum circuit obfuscation (QCO) approach that hides the logic and the phase angles of selected gates within the obfuscated quantum circuit. To evaluate the effectiveness of CLOAQ, we sample the input state uniformly from the Hilbert space of all qubits, which is more accurate than prior work that use all-|0> inputs. Our results show that CLOAQ benefits from the synergy between logic and phase protections. Compared with prior QCO approaches using only one perspective, the combined method is more resilient to attacks and causes greater functional disruption when the unlocking key is incorrect.

研究の動機と目的

• 信頼できないプロバイダによる量子回路コンパイルに伴うIP保護リスクを強調すること。
• 鍵ビットを用いて論理と回転角の両方を結合してオブスクフするCLOAQを提案すること。
• 現実的な入力状態サンプリングとTVDを攪乱指標として用い、オブスクフの有効性を評価すること。
• 正しいデオブスクフによって機能が回復し、誤った鍵では大きな攪乱が生じることを示すこと。

提案手法

• オブスクフ前に量子回路の層を位相ゲートと非位相ゲートに分割すること。
• 鍵ビットを伴うロジックのためのアンサンブラクを挿入し、鍵制御ロジックロックを可能にするHadamardゲートを適用すること。
• 既存の非位相ゲートを制御ゲートへ変換するか、鍵ビットに基づいてダミー制御ゲートを挿入して論理をマスクすること。
• ゲート回転を乱数角に置換して位相角をオブスクフし、正しい角度を鍵ビットにエンコードすること。
• 正しい鍵が提供された場合に鍵アンサンブラとダミーゲートを除去してデオブスクフを実行し、元の機能を回復すること。
• IBM Qiskitのシミュレーションを現実的なノイズバックエンドと1024ショットで複数のベンチマークを用いて評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 誤った鍵が使用された場合、論理と角度の結合オブスクフは量子回路出力にどのような影響を与えるか？
• RQ2 論理と位相の両方を同時にオブスクフすることは、単一要素のオブスクフより優れた保護を提供するか？
• RQ3 現実的なノイズ下で正しいデオブスクフは元の回路挙動を安定して回復できるか？
• RQ4 オブスクフが回路の深さとゲート数に与える影響はどの程度で、デオブスクフ後にこれらを緩和できるか？

主な発見

Circuit	Depth	Depth Obf.	Org. # Gates	Obf. # Gates	Logic Key # Bits	Phase Key # Bits
Adder	12	17	23	113	90	60
Basis Change	22	27	46	137	137	45
Fredkin	12	19	19	91	34	84
Wstate	6	11	6	44	38	45

• オブスクフされた回路は、誤った鍵使用時に元の回路と比較して高いTVDを示し、攪乱が強いことを示す。
• 正しいデオブスクフはTVDを大幅に低減し、元の回路に近い挙動を回復する。
• AdderとFredkin回路は、ロック状態のTVD値が最も高く、それぞれ0.8943と0.9125である。
• オブスクフ中は深さとゲート数が増加するが、デオブスクフ後にはこれらは一時的で除去可能である。
• 論理と位相のオブスクフを組み合わせることで、単一視点のアプローチよりも大きな安全鍵空間とより堅牢な保護を実現する。