面向近期量子计算机的安全多编程环境下的上下文切换
密码学与安全
2025-04-18 v3 新兴技术
摘要
多编程量子计算机可提升设备利用率和吞吐量。然而，并发的两量子比特 CNOT 门之间的串扰会带来安全风险，损害联合受害程序的保真度和输出。我们设计了零知识篡改攻击（ZKTAs），通过该方法攻击者可在不了解硬件误差配置的情况下利用串扰。ZKTAs 可在 40% 的情况下改变受害程序的输出。我们指出，ZKTAs 之所以成功，是因为攻击程序始终以相同受害程序固定的上下文中运行。为缓解此问题，我们提出 QONTEXTS：一种通过在多个上下文中运行程序来对抗 ZKTAs 的技术方案，每个上下文仅处理部分试验。QONTEXTS 使用频繁的上下文切换进行多编程，同时为每个上下文识别一组唯一的程序。这有助于限制仅少数执行受到 ZKTAs 的影响。我们将 QONTEXTS 增强为具备攻击检测功能的系统，通过比较不同上下文的分布以识别与 ZKTAs 共同执行的噪声上下文。我们在真实 IBMQ 系统上的评估表明，QONTEXTS 将程序的韧性提高了三个数量级，平均保真度提升 1.33。此外，QONTEXTS 提升了 2 的吞吐量，推动了多编程环境中的安全性。
引用
@article{arxiv.2504.07048,
title = {Context Switching for Secure Multi-programming of Near-Term Quantum Computers},
author = {Avinash Kumar and Meng Wang and Chenxu Liu and Ang Li and Prashant J. Nair and Poulami Das},
journal= {arXiv preprint arXiv:2504.07048},
year = {2025}
}