[论文解读] CLOAQ: Combined Logic and Angle Obfuscation for Quantum Circuits

Vincent Langford, Shihan Zhao+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2026

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 0

一句话总结

CLOAQ 将逻辑锁定与相位混淆相结合，通过输入态采样和 TVD 指标评估，在键错误时实现强保护，在正确键时具有可恢复性。

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.

研究动机与目标

• 对不可信提供商对量子电路编译所带来的知识产权保护风险进行突出说明。
• 提出 CLOAQ，通过密钥位联合混淆逻辑和旋转角度。
• 使用现实的输入态采样和 TVD 作为干扰度量评估混淆效果。
• 证明正确去混淆能够恢复功能，而错误的密钥会造成显著干扰。

提出的方法

• 在混淆前将量子电路层分解为相位门与非相位门。
• 为逻辑密钥插入辅比特并应用哈达玛门以实现密钥控制的逻辑锁定。
• 将现有非相位门转换为受控门，或基于密钥位插入伪受控门以掩蔽逻辑。
• 通过用随机角替换门旋转来混淆相位角，并在密钥位中编码正确角度。
• 在提供正确密钥时，通过移除密钥辅比特和伪门进行去混淆，恢复原始功能。
• 使用 IBM Qiskit 仿真，在现实的噪声后端和多点基准测试下以 1024 次测量进行评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 当使用错误密钥时，组合的逻辑与角度混淆对量子电路输出有何影响？
• RQ2 联合的逻辑与相位混淆是否比单一方面的混淆提供更优的保护？
• RQ3 在现实噪声下，正确的去混淆是否能够可靠地恢复原始电路行为？
• RQ4 混淆对电路深度和门数量的影响如何，去混淆后是否可减小？

主要发现

电路	深度	混淆后深度	原始门数量	混淆后门数量	逻辑密钥位数	相位密钥位数
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

• 混淆后的电路在错误密钥下相对于原始电路显示出较高的 TVD，表明干扰强。
• 正确的去混淆显著降低 TVD，恢复的行为接近原始电路。
• Adder 与 Fredkin 电路在锁定态下显示出最高的 TVD 值（分别为 0.8943 和 0.9125）。
• 混淆过程在混淆阶段增加了深度与门数量，但这是临时的，在去混淆后可移除。
• 将逻辑和相位混淆相结合，比单一视角的混淆提供更大的安全密钥空间和更稳健的保护。