[논문 리뷰] CLOAQ: Combined Logic and Angle Obfuscation for Quantum Circuits

Vincent Langford, Shihan Zhao외 5명|arXiv (Cornell University)|2026. 02. 27.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 0

한 줄 요약

CLOAQ는 로직 잠금과 위상 난독화를 결합하여 양자 회로 IP를 보호하며, 입력 상태 샘플링과 TVD 지표로 평가하여 잘못된 키에서 강한 보호, 올바른 키에서 복구 가능성을 보인다.

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.

연구 동기 및 목표

• 신뢰할 수 없는 공급자가 양자 회로 컴파일을 수행할 때의 IP 보호 위험을 강조한다.
• 키 비트를 사용해 로직과 회전 각도를 결합적으로 난독화하는 CLOAQ를 제안한다.
• 현실적인 입력 상태 샘플링과 TVD를 교란 지표로 사용하여 난독화 효과를 평가한다.
• 정확한 역난독화가 기능을 회복하는 반면 잘못된 키는 상당한 교란을 야기함을 보여준다.

제안 방법

• 난독화 전에 양자 회로 계층을 위상 게이트와 비위상 게이트로 분리한다.
• 로직 키를 위한 앙실라 큐비트를 삽입하고 Hadamard 게이트를 적용하여 키 제어 로직 잠금을 가능하게 한다.
• 기존의 비위상 게이트를 제어 게이트로 변환하거나 키 비트를 기반으로 더미 제어 게이트를 삽입하여 로직을 마스킹한다.
• 게이트 회전을 무작위 각도로 교체하여 위상 각도를 난독화하고, 올바른 각도를 키 비트에 암호화한다.
• 정확한 키가 제공되면 키-앰실라와 더미 게이트를 제거하여 역난독화를 수행하고 원래 기능을 회복한다.
• 여러 벤치마크에 걸쳐 현실적인 노이즈 백엔드와 1024 샷을 사용한 IBM Qiskit 시뮬레이션으로 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 잘못된 키가 사용될 때 로직과 각도의 결합 난독화가 양자 회로 출력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 로직 및 위상 난독화를 결합한 것이 단일 측면 난독화보다 더 우수한 보호를 제공하는가?
• RQ3 현실적인 노이즈 하에서 정확한 역난독화가 원래 회로 동작을 신뢰할 수 있게 회복할 수 있는가?
• RQ4 난독화가 회로 깊이와 게이트 수에 미치는 영향은 무엇이며 역난독화 시 이를 완화할 수 있는가?

주요 결과

회로	깊이	깊이 난독화	원본 # 게이트	난독화 # 게이트	로직 키 # 비트	위상 키 # 비트
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

• 잘못된 키가 사용될 때 난독화된 회로는 원본에 비해 높은 TVD를 보이며 강한 교란을 나타낸다.
• 정확한 역난독화는 TVD를 크게 감소시켜 원본 회로에 가까운 동작을 회복한다.
• Adder 및 Fredkin 회로가 가장 높은 잠김 상태 TVD 값을 보인다(각각 0.8943, 0.9125).
• 이 방법은 난독화 중에 깊이와 게이트 수를 증가시키지만 이는 일시적이며 역난독화 후 제거 가능하다.
• 로직과 위상 난독화를 결합하면 단일 측면 접근 방식보다 더 큰 보안 키 공간과 더 강력한 보호를 제공한다.