Resumen - Desafíos de seguridad en software cuántico en entornos de computación cuántica compartida

Desafíos de seguridad en software cuántico en entornos de computación cuántica compartida

2025-07-23 17:23:34

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

{quant-ph,cs.CR}

Este documento discute los desafíos de seguridad asociados con el software cuántico en entornos de computación cuántica compartida. A medida que aumenta el número de qubits en las computadoras cuánticas, el potencial de que el software cuántico sea explotado por actores maliciosos también aumenta. El documento destaca varios desafíos clave: 1. **Interferencia (Crosstalk)**: Esto ocurre cuando un qubit o línea de control afecta accidentalmente el comportamiento de otro, llevando a errores en las computaciones cuánticas. En entornos de multi-programación, la interferencia puede agravarse, permitiendo a los atacantes interrumpir o manipular los resultados de programas víctima. 2. **Inyección de SWAP Adversarial**: Los atacantes pueden explotar la conectividad limitada entre qubits en hardware NISQ mediante la ocupación estratégica de qubits densamente conectados, forzando al compilador a agregar puertas SWAP adicionales y aumentando la tasa de errores en programas víctima. 3. **Detección de Qubits**: Este ataque aprovecha la naturaleza ruidosa e inestable del hardware cuántico, permitiendo a los atacantes determinar la salida de un circuito víctima sin acceso directo a él. Esto se puede lograr mediante el análisis de la distancia estadística entre los qubits víctima desconocidos y firmas de referencia. 4. **Ataques a Nivel de Pulso**: Estos ataques utilizan pulsos de control para alcanzar estados de energía inesperados que pueden utilizarse para extraer información o distorsionar los resultados de circuitos víctima. Aunque teóricamente, estos ataques resaltan las vulnerabilidades potenciales del hardware cuántico. 5. **Reconstrucción de Circuitos**: Al manipular la cola de ejecución, los atacantes pueden extraer información sobre un circuito víctima observando los resultados de circuitos "de sondeo" ejecutados antes y después del circuito víctima. 6. **Diseño de Hardware (Blueprinting)**: Los atacantes pueden usar varios métodos, como interferencia y información de tiempo, para identificar y rastrear el hardware cuántico en el que se ejecuta un circuito, exponiendo posibles vulnerabilidades. El documento hace un llamado a la investigación en varios campos para abordar estos desafíos: 1. **Desarrollo de Mecanismos de Aislamiento Cuántico**: Esto implica crear mecanismos prácticos para imponer el aislamiento de ejecución entre programas cuánticos concurrentes, similar a la contenedorización en la computación en la nube clásica. 2. **Compiladores Cuánticos Concientes de Seguridad**: Estos compiladores serían capaces de razonar y imponer restricciones de seguridad, teniendo en cuenta las vulnerabilidades identificadas durante la asignación de recursos. 3. **Atenuación de Vulnerabilidades Laterales Específicas del Software Cuántico**: Investigar y mitigar las vulnerabilidades laterales específicas del software cuántico, como la interferencia y los ataques QubitHammer, es crucial para asegurar los entornos de computación cuántica multi-usuario. 4. **Marco de Benchmarking y Simulación para la Evaluación de la Seguridad del Software Cuántico**: Construir herramientas de código abierto para simular la multi-tenencia cuántica y probar la eficacia de diferentes mecanismos de seguridad contra vectores de ataque realistas es esencial. 5. **Co-Diseño de Hardware-Software para Arquitecturas Cuánticas Seguras**: Promover la colaboración interdisciplinaria para co-diseñar chips cuánticos y software de control que soporten la partición segura de recursos y resistencia a la manipulación. 6. **Atenuación de Efectos de Interferencia**: Comprender y mitigar los efectos de interferencia es crucial para asegurar los sistemas cuánticos basados en la nube actuales y futuros. Al abordar estos desafíos, el documento argumenta que podemos crear un ecosistema de computación cuántica más seguro y confiable.