[論文レビュー] Assessing the Benefits and Risks of Quantum Computers

Travis L. Scholten, Carl J. Williams+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2024

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 17

ひとこと要約

この論文は、量子コンピュータの潜在的な利益とサイバーセキュリティリスクを調査し、暗号破解能力が出現する前に近期の量子デバイスが実用価値を提供する可能性があると主張し、量子耐性暗号の採用を強調する。

ABSTRACT

Quantum computing is an emerging technology with potentially far-reaching implications for national prosperity and security. Understanding the timeframes over which economic benefits and national security risks may manifest themselves is vital for ensuring the prudent development of this technology. To inform security experts and policy decision makers on this matter, we review what is currently known on the potential uses and risks of quantum computers, leveraging current research literature. The maturity of currently-available quantum computers is not yet at a level such that they can be used in production for large-scale, industrially-relevant problems, and they are not believed to currently pose security risks. We identify 2 large-scale trends -- new approximate methods (variational algorithms, error mitigation, and circuit knitting) and the commercial exploration of business-relevant quantum applications -- which, together, may enable useful and practical quantum computing in the near future. Crucially, these methods do not appear likely to change the required resources for cryptanalysis on currently-used cryptosystems. From an analysis we perform of the current and known algorithms for cryptanalysis, we find they require circuits of a size exceeding those that can be run by current and near-future quantum computers (and which will require error correction), though we acknowledge improvements in quantum algorithms for these problems are taking place in the literature. In addition, the risk to cybersecurity can be well-managed by the migration to new, quantum-safe cryptographic protocols, which we survey and discuss. Given the above, we conclude there is a credible expectation that quantum computers will be capable of performing computations which are economically-impactful before they will be capable of performing ones which are cryptographically-relevant.

研究の動機と目的

• 量子計算の社会的・経済的潜在的利益を評価する。
• 特に暗号解析に関する量子コンピュータがもたらすサイバーセキュリティリスクを評価する。
• 有用な量子計算を可能にする近短期的トレンド（変分アルゴリズム、誤差緩和、サーキットニッティング）を特定する。
• 暗号的に関連する能力のタイムラインと商業的に有用な能力のタイムラインを評価する。
• 量子耐性暗号のデプロイに関する政策および実務的指針を提供する。

提案手法

• 量子アルゴリズム、誤差緩和、およびサーキットニッティングに関する現在の文献をレビューし統合する。
• 暗号解析タスクと非暗号解析タスクにおけるスケーラビリティ要件と耐故障性および誤り訂正の役割を分析する。
• 既存のアルゴリズム知識を用いて、暗号解析と有用な量子アプリケーションのリソース要件を比較する。
• 量子ハードウェアの成熟度、クラウドアクセス、および商業的探索を検討し、近期の価値とサイバーリスクを推定する。
• QKD、QRNG、PQCなどの量子耐性暗号アプローチを調査し、実用的な採用上の考慮事項について論じる。

Figure 1: Estimated cumulative announced public-sector investments in quantum technologies. Many governments have announced substantial investments in quantum technologies. The numbers above represent estimates of the total announced (not necessarily deployed ) investment. In addition, these investm

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 暗号的に関連する能力に比べて、経済的に価値のある量子計算の予想されるタイムラインはどのくらいか。
• RQ2 近期の量子アルゴリズムと技術は、完全な耐故障性がなくても現行の暗号システムの暗号解析を可能にするか。
• RQ3 量子耐性暗号への移行戦略は何があり、導入はどの程度実用的か。
• RQ4 変分法、誤差緩和、サーキットニッティングは、実用的な問題に対する近期の量子計算の実現性にどう影響するか。

主な発見

• 現在の量子コンピュータは大規模な産業問題レベルには達しておらず、即時のセキュリティリスクを生むとは考えられていない。
• 3つの主要な近期トレンド（変分アルゴリズム、誤差緩和、サーキットニッティング）は、既存のハードウェア上で有用な量子計算を可能にする可能性がある。
• 現行の暗号解析リソース要件は近期デバイスには大きすぎ、普及している暗号体系を破るには耐故障性が必要になる。
• 量子耐性暗号プロトコルはサイバーセキュリティリスクを効果的に緩和でき、実用的な採用経路が議論されている。
• 量子コンピュータは、暗号的に関連する能力が現れる前に、経済的に影響力のある計算を実行可能になる可能性が高い。
• 政策指針は量子の利点を促進しつつサイバーセキュリティリスクを管理するために必要である。

Figure 2: Logical resource estimates for various uses of quantum computers. Plotting the resource estimates of Table LABEL:tab:resource-estimates in Appendix A , where all entries in the table are standardized to $T$ gates, assuming the synthesis of 1 Toffoli requires 7 $T$ gates [ 183 ] . See main