[论文解读] A Primer on Security of Quantum Computing Hardware

Swaroop Ghosh, Suryansh Upadhyay+1 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2023

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 4

一句话总结

本文全面概述了量子计算中的硬件安全威胁，识别了供应链、量子比特技术及编译管道中的漏洞。文章提出了如插入RZ门以抵御功耗侧信道攻击等对策，并呼吁在硬件、软件和算法层面系统性地开展量子系统安全研究。

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.

研究动机与目标

• 识别并分析量子计算硬件栈中的关键安全与隐私漏洞，特别是在多租户和第三方环境中。
• 强调未受信任的第三方在量子硬件供应链中带来的风险，包括制造、校准和编译服务。
• 研究量子电路中的敏感知识产权（IP）和私密信息如何通过侧信道攻击和篡改被暴露。
• 提出实用的防御机制，如虚拟RZ门插入，以减轻功耗侧信道攻击的影响。
• 概述在硬件、软件和算法层面全面保障量子计算系统安全的未来研究方向。

提出的方法

• 对量子计算栈进行系统性分析，重点关注硬件、软件和第三方服务组件。
• 通过威胁建模识别攻击面，包括故障注入、侧信道攻击（如基于功耗的攻击）以及供应链破坏。
• 提出一种利用虚拟RZ门——通过任意波形发生器（AWG）实现——的防御机制，以在功耗波形中隐藏控制脉冲信息。
• 证明RZ门由于是虚拟且无物理脉冲的，无法在功耗侧信道中被检测到，从而有效阻碍量子电路的逆向工程。
• 倡导采用混淆技术，如使用等效的基于RZ的序列随机替换门，以增加攻击者不确定性。
• 呼吁开展跨层次研究，关注硬件特定漏洞，尤其在新兴的量子比特技术（如超导、硅自旋、拓扑量子比特）之间。

实验结果

研究问题

• RQ1 量子计算系统在硬件层面面临的主要威胁是什么，特别是在多租户或第三方环境中？
• RQ2 基于功耗的分析等侧信道攻击如何被用于从量子控制脉冲中提取敏感信息？
• RQ3 未受信任的编译器或校准服务在哪些方面可能破坏量子程序和知识产权的完整性和机密性？
• RQ4 不同量子比特技术及其相关硬件栈带来了哪些独特的安全挑战？
• RQ5 混淆技术和电路变换技术（如RZ门插入）如何增强量子电路对逆向工程的防护能力？

主要发现

• 由于控制脉冲中的串扰和功耗泄漏，量子计算硬件易受故障注入和侧信道攻击。
• 第三方校准服务可能降低性能或报告虚假错误率，从而引发拒绝服务攻击。
• 未受信任的编译器可能注入后门或篡改量子电路，导致知识产权被盗或计算被操纵。
• 功耗侧信道攻击可重构控制脉冲信息，从而实现对量子电路的逆向工程。
• 通过无物理脉冲实现的虚拟RZ门在功耗波形中不可检测，显著增强了对侧信道分析的抵抗力。
• 使用等效的基于RZ的序列随机替换门可增加攻击者不确定性，阻碍电路重构，从而提升安全性。