Zusammenfassung - Quantensoftware-Sicherheitsausforderungen in gemeinsam genutzten Quantencomputing-Umgebungen

Quantensoftware-Sicherheitsausforderungen in gemeinsam genutzten Quantencomputing-Umgebungen

2025-07-23 17:23:34

{"Samuel Ovaskainen","Majid Haghparast","Tommi Mikkonen"}

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Dieser Artikel diskutiert die Sicherheitsprobleme, die mit quantensoftware in gemeinsamen quantencomputing-Umgebungen verbunden sind. Da die Anzahl der Qubits in Quantencomputern weiter wächst, steigt auch das Potenzial, dass böswillige Akteure quantensoftware ausnutzen. Der Artikel hebt mehrere zentrale Herausforderungen hervor: 1. **Krosstalk**: Dies tritt ein, wenn ein Qubit oder eine Steuerspur versehentlich das Verhalten eines anderen beeinflusst, was zu Fehlern in quantencomputergenen Berechnungen führt. In Mehrprogrammsystemen kann Krosstalk verstärkt werden, was Angreifern ermöglichen könnte, die Ergebnisse von Opferprogrammen zu stören oder zu manipulieren. 2. **Adversarische SWAP-Injektion**: Angreifer können die begrenzte Verbindung zwischen Qubits in NISQ-Hardware ausnutzen, indem sie dicht verbundene Qubits strategisch besetzen, was den Compiler dazu veranlasst, zusätzliche SWAP-Gate hinzuzufügen und die Fehlerquote in Opferprogrammen zu erhöhen. 3. **Qubit-Sensing**: Diese Angriffsart nutzt die störende und unzuverlässige Natur der quantenhardware aus, um Angreifern zu ermöglichen, den Ausgang eines Opferkreises ohne direkten Zugriff darauf zu bestimmen. Dies kann durch die Analyse der statistischen Distanz zwischen den unbekannten Opferqubits und Referenzsignaturen erreicht werden. 4. **Pulse-basierte Angriffe**: Diese Angriffe nutzen Kontrollpulsströme, um unerwartete Energiezustände zu erreichen, die zur Extraktion von Informationen oder zur Verzerrung der Ergebnisse von Opferkreisen verwendet werden können. Obwohl derzeit theoretisch, verdeutlichen diese Angriffe die potenziellen Anfälligkeiten von Quantenhardware. 5. **Kreiskonfigurations-Rekonstruktion**: Durch Manipulation des Ausführungsqueues können Angreifer potenziell Informationen über einen Opferkreis durch Beobachtung der Ergebnisse von „Probing“-Kreisen extrahieren, die vor und nach dem Opferkreis ausgeführt werden. 6. **Hardware-Blueprinting**: Angreifer können verschiedene Methoden wie Krosstalk und Zeitinformationen verwenden, um das auf dem betriebenen Quantenhardware identifiziert zu werden, was potenzielle Schwachstellen offenlegen könnte. Der Artikel fordert Forschung in mehreren Bereichen auf, um diese Herausforderungen zu bewältigen: 1. **Entwicklung quantenbasierter Isolationsmechanismen**: Dies beinhaltet die Schaffung praktischer Mechanismen zur Durchsetzung der Ausführungsизоляtion zwischen concurrent quantenprogrammen, ähnlich wie Containerisierung im klassischen Cloud-Computing. 2. **Security-aware Quantum Compiler**: Diese Compiler wären in der Lage, über Sicherheitseinschränkungen zu urteilen und diese durchzusetzen, wobei bekannte Schwachstellen während der Ressourcenallokation berücksichtigt werden. 3. **Quantenspezifische Side-Channel-Mitigation**: Die Untersuchung und Milderung quantenspezifischer Side-Channel-Anfälligkeiten, wie z.B. Krosstalk und QubitHammer-Angriffe, ist entscheidend für die Sicherstellung sicherer multi-tenant Quantencomputing-Umgebungen. 4. **Benchmarks und Simulationsrahmen für die Bewertung der Sicherheit von Quantensoftware**: Der Aufbau offener Werkzeuge zur Simulation von quantenbasierten Mehrmandanten und zur Überprüfung der Effektivität verschiedener Sicherheitssysteme gegen realistische Angriffsvektoren ist entscheidend. 5. **Hardware-Software-Ko-Design für sichere Quantenarchitekturen**: Die Förderung interdisziplinärer Zusammenarbeit zur gemeinsamen Gestaltung von Quantenchips und -steuerungssoftware, die sichere Ressourcenaufteilung und Widerstand gegen Manipulation unterstützen, ist erforderlich. 6. **Milderung von Krosstalk-Effekten**: Das Verständnis und die Milderung von Krosstalk-Effekten ist entscheidend für die Sicherstellung aktueller und zukünftiger cloudbasierter Quantensysteme. Durch die Bewältigung dieser Herausforderungen argumentiert der Artikel, dass ein sichererer und zuverlässigeres Quantencomputing-Ökosystem geschaffen werden kann.