論文の概要: Context Switching for Secure Multi-programming of Near-Term Quantum Computers
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2504.07048v2
- Date: Mon, 14 Apr 2025 03:48:54 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-04-15 13:21:42.975347
- Title: Context Switching for Secure Multi-programming of Near-Term Quantum Computers
- Title（参考訳）: 近距離量子コンピュータのセキュアなマルチプログラミングのためのコンテキストスイッチング
- Authors: Avinash Kumar, Meng Wang, Chenxu Liu, Ang Li, Prashant J. Nair, Poulami Das,
- Abstract要約: 同時に2ビットのCNOTゲートからのクロストークはセキュリティ上のリスクを引き起こす。
ハードウェアエラープロファイルを知らずにクロストークを利用するゼロナレッジ・タンパリング・アタック(ZKTA)を設計する。
本稿では,複数のコンテキストにまたがるプログラムを実行することで,ZKTAを防御するコンテキストスイッチング手法であるQONTEXTSを提案する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 19.420764480790414
- License:
- Abstract: Multi-programming quantum computers improve device utilization and throughput. However, crosstalk from concurrent two-qubit CNOT gates poses security risks, compromising the fidelity and output of co-running victim programs. We design Zero Knowledge Tampering Attacks (ZKTAs), using which attackers can exploit crosstalk without knowledge of the hardware error profile. ZKTAs can alter victim program outputs in 40% of cases on commercial systems. We identify that ZKTAs succeed because the attacker's program consistently runs with the same victim program in a fixed context. To mitigate this, we propose QONTEXTS: a context-switching technique that defends against ZKTAs by running programs across multiple contexts, each handling only a subset of trials. QONTEXTS uses multi-programming with frequent context switching while identifying a unique set of programs for each context. This helps limit only a fraction of execution to ZKTAs. We enhance QONTEXTS with attack detection capabilities that compare the distributions from different contexts against each other to identify noisy contexts executed with ZKTAs. Our evaluations on real IBMQ systems show that QONTEXTS increases program resilience by three orders of magnitude and fidelity by 1.33$\times$ on average. Moreover, QONTEXTS improves throughput by 2$\times$, advancing security in multi-programmed environments.
- Abstract（参考訳）: マルチプログラミング量子コンピュータはデバイス利用とスループットを向上させる。
しかし、同時に2ビットのCNOTゲートからのクロストークはセキュリティ上のリスクをもたらし、共同実行中の被害者プログラムの忠実さと出力を損なう。
ハードウェアエラープロファイルを知らずにクロストークを利用するゼロナレッジ・タンパリング・アタック(ZKTA)を設計する。
ZKTAは、商用システムの40%のケースで被害者プログラムの出力を変更することができる。
ZKTAが成功するのは、攻撃者のプログラムが常に同じ被害者プログラムを一定の状況で実行しているためである。
そこで本研究では,複数のコンテクストにまたがるプログラムを動作させることにより,ZKTAを防御するコンテキストスイッチング技術であるQONTEXTSを提案する。
QONTEXTSは、コンテクストスイッチングを頻繁に行うマルチプログラミングを使用し、各コンテクストに固有のプログラム群を識別する。
これにより、わずかな実行をZKTAに制限できる。
我々は、異なるコンテキストからの分布を互いに比較して、ZKTAで実行されるノイズの多いコンテキストを識別する攻撃検出機能を備えたQONTEXTSを強化した。
実際の IBMQ システムに対する評価から,QONTEXTS はプログラムのレジリエンスを3桁,忠実度を平均 1.33$\times$ で向上させることがわかった。
さらに、QONTEXTSはスループットを2$\times$で改善し、マルチプログラム環境でのセキュリティを向上する。
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