[論文レビュー] Qubit Sensing: A New Attack Model for Multi-programming Quantum Computing

Abdullah Ash Saki, Swaroop Ghosh|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 3被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、マルチプロ grammable量子コンピューティング環境において、qubitセンシングを新たな側面チャネル攻撃として提案する。攻撃者は、qubit間で状態依存的かつ相関のある読み出しエラーを利用する。Jensen-Shannon距離を用いて統計的シグネเจอを比較することで、実際のIBM量子ハードウェア上で96%の精度を達成した。著者らは、出力のランダム化による反転を軽量な対策として提唱し、0.05%のfidelity損失で実現した。

ABSTRACT

Noisy quantum computers suffer from readout or measurement error. It is a classical bit-flip error due to which state "1" is read out as "0" and vice-versa. The probability of readout error shows a state dependence i.e., flipping probability of state "1" may differ from flipping probability of state "0". Moreover, the probability shows correlation across qubits. These state-dependent and correlated error probability introduces a signature of victim outputs on adversary output when two programs are run simultaneously on the same quantum computer. This can be exploited to sense victim output which may contain sensitive information. In this paper, we systematically show that such readout error-dependent signatures exist and that an adversary can use such signature to infer a user output. We experimentally demonstrate the attack (inference) on 3 public IBM quantum computers. Using Jensen-Shannon Distance (JSD) a measure for statistical inference, we show that our approach identifies victim output with an accuracy of 96% on real hardware. We also present randomized output flipping as a lightweight yet effective countermeasure to thwart such information leakage attacks. Our analysis shows the countermeasure incurs a minor penalty of 0.05% in terms of fidelity.

研究の動機と目的

• 状態依存的かつ相関のある読み出しエラーがマルチプログラム量子コンピューティング環境に及ぼすセキュリティリスクを調査すること。
• 非隣接で分離されたqubit上で統計的シグネเจอを分析することにより、攻撃者が被害者の量子出力を推定可能であることを実証すること。
• fidelityを保持しながら推定攻撃を防ぐ低コストの対策を開発・評価すること。
• 攻撃および防御メカニズムを実際のIBM量子プロセッサ上で実験的に検証すること。

提案手法

• 奇数および偶数のXゲートを用いて、被害者のqubitを'0'および'1'状態に準備することで、IBM量子デバイスから参照用の読み出しシグネเจอを収集する。
• 最終的なXゲートにより'1'状態に準備された1つの攻撃者qubitを用い、相関のある読み出しエラーを通じて被害者の状態をセンシングする。
• 未知の攻撃者出力分布と参照シグネเจอの間のJensen-Shannon距離（JSD）を計算し、被害者の出力を分類する。
• センシング能力の空間的独立性を示すために、非隣接qubitペアへの攻撃を拡張する。
• 1つの攻撃者qubitで複数の被害者qubitを同時にセンシングできることを示し、最大2つの被害者qubitまで実現可能であることを示す。
• 計算後に被害者のqubitにXゲートを挿入することでランダム出力反転を実装し、その後の後処理で正しい出力を回復する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ノイジィな中規模量子（NISQ）デバイスにおける読み出しエラーは、マルチプログラム環境下で被害者の量子出力を推定するために利用可能か？
• RQ2 状態依存的かつ相関のある読み出しエラーは、非隣接qubit間でも統計的推論を可能にする程度はどの程度か？
• RQ3 1つの攻撃者qubitは複数の被害者qubitの出力をセンシング可能か？もしそうなら、最大何個まで可能か？
• RQ4 このような推定攻撃の実際の精度は、実際の量子ハードウェア上でどの程度か？
• RQ5 ランダム出力反転は、セキュリティとfidelityのオーバーヘッドの観点から、どの程度有効な対策か？

主な発見

• Jensen-Shannon距離を用いた分類により、3台の実際のIBM量子プロセッサ上で96%の精度を達成した。
• 攻撃者qubitと被害者qubitが物理的に非隣接であっても、被害者状態'0'および'1'の読み出しエラーのシグネเจอは区別可能であった。
• 1つの攻撃者qubitは2つの被害者qubitまで信頼性高くセンシング可能であったが、3つ以上になるとシグネเจอが著しく重複し、実用性が制限された。
• ランダム出力反転対策により、1qubitでは推定精度が50%、2qubitでは25%に低下し、攻撃者による逆設計コストが著しく増加した。
• 追加されたXゲートによるfidelity損失は、全テストデバイス平均で0.05%に留まり、性能への影響は最小限であった。
• 攻撃および防御メカニズムは、200のランダム化ベンチマーク回路を用いて、IBMのibmq_rome、ibmq_bogota、ibmq_valenciaデバイスで実験的に検証された。