[논문 리뷰] A Primer on Security of Quantum Computing Hardware

Swaroop Ghosh, Suryansh Upadhyay외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 04.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 양자 계산의 하드웨어 보안 위협에 대한 종합적인 개요를 제공하며, 공급망, 큐비트 기술, 컴파일러 파이pline에서의 취약점을 규명한다. 전력 측면채널 공격을 방지하기 위해 RZ 게이트 삽입과 같은 대응 조치를 제안하고, 하드웨어, 소프트웨어, 알고리즘 계층에서의 양자 시스템 보안에 대한 체계적 연구를 당부한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 멀티테넌트 및 제3자 환경에서의 양자 계산 하드웨어 스택의 핵심 보안 및 개인정보 유출 취약점을 규명하고 분석하는 것.
• 제3자 공급망에서의 불신뢰할 수 있는 제조, 캘리브레이션, 컴파일 서비스로 인한 위험을 부각하는 것.
• 양자 회로 내 민감한 지적재산권(IP) 및 개인정보가 측면채널 공격 및 변조를 통해 노출될 수 있는 방식을 분석하는 것.
• 전력 측면채널 공격을 완화하기 위해 가상 RZ 게이트 삽입과 같은 실용적인 방어 기법을 제안하는 것.
• 하드웨어, 소프트웨어, 알고리즘 계층에서의 양자 계산 시스템 보안을 위한 향후 연구 방향을 제시하는 것.

제안 방법

• 하드웨어, 소프트웨어, 제3자 서비스 구성 요소에 중점을 두어 양자 계산 스택에 대한 체계적 분석을 수행하는 것.
• 고장 주입, 측면채널 공격(예: 전력 기반), 공급망 침해를 포함한 위협 모델링을 통해 공격 표면을 규명하는 것.
• 가상 RZ 게이트를 사용한 방어 기법을 제안하며, 이는 임의의 파uls 생성 장치(AWG)를 통해 구현된다. 이는 전력 트레이스에 있는 제어 펄스 정보를 가림으로써 작동한다.
• RZ 게이트는 가상이며 펄스가 없기 때문에 전력 측면채널에서 탐지되지 않으며, 이는 양자 회로의 역설계를 어렵게 한다.
• 공격자에 대한 불확실성을 증가시키고 회로 복구를 어렵게 하기 위해, 동치의 RZ 기반 순서로 게이트를 무작위로 대체하는 오버클로징 기법의 통합을 주장한다.
• 특히 신개념 큐비트 기술(예: 초전도체, 실리콘 스핀, 토폴로지컬 큐비트) 간의 하드웨어 특화 취약점을 중심으로 한 교차 계층 연구를 촉구한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 멀티테넌트 또는 제3자 환경에서의 양자 계산 시스템에 대한 주요 하드웨어 수준의 위협은 무엇인가요?
• RQ2 전력 기반 분석과 같은 측면채널 공격을 통해 양자 제어 펄스에서 민감한 정보를 어떻게 추출할 수 있는가요?
• RQ3 신뢰할 수 없는 컴파일러나 캘리브레이션 서비스가 양자 프로그램과 IP의 무결성 및 기밀성을 어떻게 위협할 수 있는가요?
• RQ4 다양한 큐비트 기술과 그에 따른 하드웨어 스택이 초래하는 고유한 보안 과제는 무엇인가요?
• RQ5 오버클로징 및 회로 변형 기법(예: RZ 게이트 삽입)을 통해 양자 회로의 보안성이 어떻게 향상될 수 있는가요?

주요 결과

• 제어 펄스의 교차 간섭과 전력 누설로 인해 양자 계산 하드웨어는 고장 주입 및 측면채널 공격에 취약하다.
• 제3자 캘리브레이션 서비스는 성능을 떨어뜨리거나 잘못된 오류율을 보고함으로써 서비스 거부 공격을 가능하게 할 수 있다.
• 신뢰할 수 없는 컴파일러는 트로이 목마를 삽입하거나 양자 회로를 변조함으로써 지적재산권 도용이나 계산 조작을 유도할 수 있다.
• 전력 측면채널 공격는 제어 펄스 정보를 재구성할 수 있으며, 이는 양자 회로의 역설계를 가능하게 한다.
• 물리적 펄스 없이 실행되는 가상 RZ 게이트는 전력 트레이스에서 탐지되지 않으며, 이는 측면채널 분석에 대한 저항력을 크게 향상시킨다.
• 동치의 RZ 기반 순서로 게이트를 무작위로 대체하면 공격자에 대한 불확실성이 증가하고 회로 복구가 어려워져 보안성이 향상된다.