論文の概要: Toward Secure Multitenant Quantum Computing: Circuit Affinity, Crosstalk Patterns, and Grouping Strategies
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2605.00118v1
- Date: Thu, 30 Apr 2026 18:18:41 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-05-04 17:43:28.703139
- Title: Toward Secure Multitenant Quantum Computing: Circuit Affinity, Crosstalk Patterns, and Grouping Strategies
- Title（参考訳）: セキュアなマルチテナント量子コンピューティングを目指して:回路親和性、クロストークパターン、グループ化戦略
- Authors: Andrew Woods, Chi-Ren Shyu,
- Abstract要約: マルチテナンシはスループットを高め、クラウドベースの量子コンピューティングのコストを削減する。
並行ジョブ実行は、回路間クロストークを通じてセキュリティリスクを導入する。
我々は、これらの干渉パターンが7つのIBM超伝導プロセッサにまたがる構造予測可能性を特徴付ける。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.5013248430919223
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Multitenancy increases throughput and reduces costs in cloud-based quantum computing, but concurrent job execution introduces security risks through inter-circuit crosstalk. We characterize the structural predictability of these interference patterns across seven IBM superconducting processors, spanning Heron (r1-r3) and Nighthawk (r1) architectures and five different circuit types. We evaluate pairwise interactions, by applying the Structural Similarity Index (SSIM) and a structural $t$-statistic to the concurrent execution of five foundational quantum circuits (QAOA, Grover's, QPE, QFT, and ZZFeatureMap), we quantify behavioral consistency across disparate hardware. Our results identify three types of circuits: universally aggressive, universally sensitive, and cotenant-dependent circuits. Aggressive circuits, such as Grover's Algorithm, exhibit a statistically significant interference pattern, yielding a $t$-statistic range of $[1.37,2.61]$ relative to the standalone baselines across all tested pairings. Conversely, sensitive circuits, such as the Quantum Fourier Transform, demonstrate a disproportionate susceptibility to multitenant execution, showing high deviations from single-tenant computational behavior. We demonstrate that crosstalk signatures are highly consistent within architectural revisions--with intra-revision similarity reaching $0.77$ (Hr3) and $0.68$ (Hr2)--while inter-revision similarity drops to $0.43$. Furthermore, we identify a ``topological decoupling" between Heavy-Hex and square lattice systems, where structural similarity falls to $0.01$ between Heron r1 and Nighthawk r1. These findings provide an empirical foundation for hardware-aware schedulers to strategically pair jobs, maximizing system utilization while preserving computational integrity.
- Abstract（参考訳）: マルチテナンシはスループットを高め、クラウドベースの量子コンピューティングのコストを削減するが、並行ジョブ実行は、回路間クロストークを通じてセキュリティリスクをもたらす。
我々は、Heron(r1-r3)アーキテクチャとNighthawk(r1)アーキテクチャにまたがる7つのIBM超伝導プロセッサと5つの異なる回路タイプにまたがる干渉パターンの構造予測可能性を特徴付ける。
我々は,5つの基本量子回路(QAOA,Grover's,QPE,QFT,ZZFeatureMap)の同時実行に構造類似度指数(SSIM)と構造$t$-statisticを適用することにより,異なるハードウェア間での動作の整合性を定量的に評価する。
本研究は, 攻撃性, 敏感性, 共テナント依存回路の3種類の回路を同定した。
Grover's Algorithmのような攻撃的回路は統計的に有意な干渉パターンを示し、全てのテストされたペアのスタンドアローンのベースラインに対して$[1.37,2.61]$の統計的範囲を生じる。
逆に、量子フーリエ変換(Quantum Fourier Transform)のようなセンシティブな回路は、マルチテナント実行に対する不均等な感受性を示し、シングルテナント計算の振る舞いから高い偏差を示す。
クロストークのシグネチャはアーキテクチャ上のリビジョンにおいて非常に一貫性があり、リビジョン内類似性は0.77$ (Hr3) と$0.68$ (Hr2) に到達し、一方でリビジョン間類似性は0.43$に低下する。
さらに、ヘビー・ヘックス系と正方格子系の間の「位相的疎結合」を同定し、ヘロン r1 とナイトホーク r1 の間の構造的類似性を0.01$とする。
これらの知見は,ハードウェアを意識したスケジューラがジョブを戦略的にペアリングし,計算整合性を維持しながらシステム利用を最大化するための実証的な基盤を提供する。
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