[논문 리뷰] Qubit Sensing: A New Attack Model for Multi-programming Quantum Computing

Abdullah Ash Saki, Swaroop Ghosh|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 13.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 3인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 다중 프로그래밍 환경에서 큐비트 감지 기반의 새로운 사이드 채널 공격을 제안한다. 여기서 악성 행위자는 큐비트 간 상태 의존적이고 상관관계가 있는 독독 오류를 이용해 피해자의 양자 출력을 유추한다. 통계적 서명을 비교하기 위해 젠슨-셜린 거리를 사용하여, 실제 IBM 양자 하드웨어에서 96%의 정확도를 달성하였으며, 저비용의 대응 조치로 무작위 출력 뒤집기를 제안하여 허용 오차 손실이 0.05%에 불과하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다중 프로그래밍 양자 계산 환경에서 상태 의존적이고 상관관계가 있는 독독 오류가 초래하는 보안 위험을 조사한다.
• 악성 행위자가 인접하지 않은 고립된 큐비트에서 통계적 서명을 분석함으로써 피해자의 양자 출력을 유추할 수 있음을 입증한다.
• 유저의 허용 오차를 유지하면서 유추 공격을 방지할 수 있는 저비용 대응 조치를 개발하고 평가한다.
• 공격 및 방어 메커니즘을 실제 IBM 양자 프로세서에서 실험적으로 검증한다.

제안 방법

• 비어 있는 큐비트를 '0'과 '1' 상태로 설정하기 위해 홀수와 짝수 개의 X 게이트를 사용하여 IBM 양자 장치에서 기준 독독 서명을 수집한다.
• 마지막 X 게이트를 통해 '1' 상태로 준비된 단일 악성 행위자 큐비트를 사용하여, 관련된 독독 오류를 통해 피해자의 상태를 감지한다.
• 알 수 없는 악성 행위자 출력 분포와 기준 서명 간의 젠슨-셜린 거리(Jensen-Shannon Distance, JSD)를 계산하여 피해자의 출력을 분류한다.
• 감지 능력의 공간 독립성을 입증하기 위해 인접하지 않은 큐비트 쌍으로 공격를 확장한다.
• 단일 악성 행위자 큐비트를 사용해 다수의 피해자 큐비트를 감지하는 것을 보여주며, 최대 두 개의 피해자 큐비트까지 가능함을 입증한다.
• 계산 후 피해자 큐비트에 X 게이트를 삽입하여 무작위 출력 뒤집기를 구현하고, 이후 복구를 위해 후처리를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 노이지 중간 스케일 양자(NISQ) 장치에서 독독 오류가 다중 프로그래밍 환경에서 피해자의 양자 출력을 유추하는 데 이용될 수 있는가?
• RQ2 상태 의존적이고 상관관계가 있는 독독 오류는 비인접 큐비트 간의 통계적 유추를 어느 정도 가능하게 하는가?
• RQ3 단일 악성 행위자 큐비트가 다수의 피해자 큐비트의 출력을 감지할 수 있는가? 만약 가능하다면, 최대 몇 개까지 가능한가?
• RQ4 실제 양자 하드웨어에서 이러한 유추 공격의 실용적 정확도는 어느 정도인가?
• RQ5 무작위 출력 뒤집기는 보안성과 허용 오차 손실 측면에서 얼마나 효과적인가?

주요 결과

• 세 대의 실제 IBM 양자 프로세서에서 젠슨-셜린 거리를 사용하여 피해자 출력을 분류하는 데 96%의 정확도를 달성하였다.
• 악성 행위자 큐비트와 피해자 큐비트가 물리적으로 인접하지 않더라도, 피해자 상태 '0'과 '1'에 대한 독독 오류 서명은 식별 가능했다.
• 단일 악성 행위자 큐비트는 최대 두 개의 피해자 큐비트를 신뢰성 있게 감지할 수 있었지만, 세 개 이상일 경우 서명 간 중첩이 심해져 실현 가능성이 떨어졌다.
• 무작위 출력 뒤집기 대응 조치는 한 큐비트에 대해 유추 정확도를 50%로, 두 큐비트에 대해 25%로 낮춰 악성 행위자에 의한 역공학 비용을 효과적으로 증가시켰다.
• 추가된 X 게이트로 인한 허용 오차 손실은 모든 테스트 장치 평균에서 단지 0.05%에 불과하여 성능 저하가 극히 미미했다.
• 200개의 랜덤라이즈드 랜딩 기반 회로를 사용하여 IBM의 ibmq_rome, ibmq_bogota, ibmq_valencia 장치에서 공격 및 방어 메커니즘을 실험적으로 검증하였다.