量子电路中的硬件木马、其影响与防御

在近期含噪量子计算机中，量子电路输出结果的可靠性取决于给定问题的门数和深度。具有较短深度和较低门数的电路比具有较高门数和深度的变体更有可能产生正确解。为了在含噪中等规模量子 (NISQ) 计算机上成功运行，量子电路需要使用编译器进行高效优化，将高级门分解为硬件的原生门。许多第三方编译器正在开发中，旨在降低大型量子电路的编译时间、减少电路深度和门数。此类编译器，甚至一个原本可信的编译器的特定发布版本，可能不可靠，并带来安全风险，例如在编译期间插入量子木马，由于量子计算中缺乏黄金/预言模型而逃避检测。木马可能会破坏功能，导致基态概率翻转，或导致输出中正确基态的概率降低。在本文中，我们研究并讨论了单量子比特木马（我们选择了 Hadamard 门和 NOT 门）在不改变电路深度的情况下，一次一个地插入到基准量子电路不同位置的影响。结果表明，在没有噪声的情况下，Hadamard 木马平均导致 16.18% 的性能下降，在有噪声的情况下为 7.78%。对于 NOT 木马（有噪声），在所有可能输入上的性能下降为 14.6%。然后，我们讨论了使用基于 CNN 的分类器检测量子电路中此类木马的方法，该分类器达到了 90% 的准确率。