Дослідники розробили новий тип атаки на хмарні квантові платформи

Команда науковців з Лабораторії комп’ютерної архітектури та безпеки Північно-Західного університету в Іллінойсі представила QubitVise — новий тип атаки на надпровідникові квантові комп’ютери. 

Метод демонструє, як зловмисник може свідомо спотворювати результати програм інших користувачів, використовуючи апаратну особливість під назвою перехресні завади (crosstalk). Атака здатна змінювати результати у багатокористувацькому середовищі для квантових обчислень на кшталт хмарних сервісів від IBM, Amazon, Microsoft та Rigetti.

Підхід спирається на стандартну двокубітну операцію CNOT. На надпровідникових пристроях часте використання CNOT створює шум, що поширюється на сусідні кубіти. QubitVise навмисне насичує схеми великою кількістю таких операцій і розміщує їх поряд із цільовими.

Для цього не потрібні привілейовані права доступу: достатньо звичайних користувацьких дозволів, що робить атаку непомітною для системи. До того ж шкідливі схеми нагадують легальні алгоритми, наприклад Quantum Approximate Optimization Algorithm, через що їх складно заблокувати на рівні компілятора.

Тестування проводилося на процесорі Rigetti Ankaa-3 через платформу Amazon Braket. Атакуючі схеми включали 18 елементів CNOT і розміщувалися навколо базових ланцюгів: стану Белла, чотирикубітної моделі Ізинга та шестикубітного стану GHZ. Кожен експеримент виконувався 1000 разів.

Для оцінки використовували метрику total variation distance, яка показала, наскільки результати «жертв» відхилялися від контрольних. Подвійні атаки стабільно виявилися шкідливішими за однобічні: середнє відхилення зростало на 13%, у пікових випадках — до 35%. У тесті зі станом Белла зафіксували стрибок у 223%, що підкреслює потенційний масштаб ризику.

Важливо, що QubitVise не дозволяє красти дані — загроза полягає у їх спотворенні. Для індустрій на кшталт розробки ліків чи криптографії навіть невеликі помилки можуть зруйнувати довіру до квантових сервісів.

Автори порівнюють атаку з відомими проблемами у класичних обчисленнях, зокрема Rowhammer у пам’яті чи витоками через кеш-пам’ять у процесорах. Як і там, експлуатується фізичний ефект, що виходить за межі програмних бар’єрів.

Дослідники закликають провайдерів розробляти механізми ізоляції: суворі правила розміщення схем, виявлення підозрілих навантажень або апаратні зміни, що зменшать рівень перехресних завад.

Нагадаємо, за даними Financial Times, IBM та Google планують представити квантові комп’ютери «промислового рівня» до кінця десятиліття.