Wie man Quantencomputeranwendungen einrichtet und absichert
Angriffe auf Quantencomputeranwendungen nutzen klassische Rechenressourcen, daher muss ein Sicherheitskonzept den kompletten hybriden Workspace umspannen.
- Armin Berberovic
Anwendungen für heutige Quantencomputer sind hybrider Natur, bestehen also aus klassischen Komponenten und einem Quantencomputer. Dadurch sehen sie sich auch einer hybriden Bedrohungslage gegenüber, denn nicht nur der Quantenprozessor kann Ziel von Angriffen werden, auch die klassische Infrastruktur will geschützt sein. Dieser Artikel schließt die dreiteilige Serie über das Implementieren einer hybriden Anwendung mit dem Optimierungsalgorithmus QAOA (Quantum Approximation Optimization Algorithm) ab, indem er Schwachstellen sowohl im Quantencomputer als auch in den Komponenten der QAOA-Anwendung aus dem zweiten Teil der Artikelserie diskutiert und Schutzmaßnahmen vorschlägt.
Die Suche nach Schwachstellen in Quantencomputern ist ein reges Feld der Forschung. Im Fokus stehen multimandantenfähige Quantencomputer, auf denen mehrere Nutzer ihre Anwendungen gleichzeitig ausführen. Ein Multitasking wie klassische Computer beherrschen ihre quantenmechanischen Pendants allerdings noch nicht. Stattdessen gehen sie sequenziell vor, arbeiten also einen Job nach dem anderen ab. Die Jobs enthalten neben einem Quantenschaltkreis zusätzliche Metadaten, mit denen der Scheduler die Ausführung der Jobs auf der QPU (Quantum Processing Unit) priorisieren kann. Dabei wird zu jedem Zeitpunkt nur ein Job auf dem Quantencomputer ausgeführt.
- Damit Quantencomputer rentabel werden, müssen sie sich nicht nur technisch weiterentwickeln, sondern auch multimandantenfähig werden.
- Multimandantenfähigkeit aber macht Quantencomputer anfällig für Angriffe.
- Bereits heute lassen sich mit SWAP-Angriffen und gezieltem Crosstalk Rechenergebnisse auf Quantenprozessoren unbrauchbar machen.
- SchutzmaĂźnahmen mĂĽssen neben der Quantenhardware auch die klassische Infrastruktur miteinbeziehen.
Die Nachteile dieser Arbeitsweise sind offensichtlich: Ganz gleich, wie viele Qubits ein Job benötigt, er wird stets den gesamten Quantenprozessor blockieren und andere Jobs an der Ausführung hindern. Mit wachsender Anzahl an Qubits wird so die Auslastung der QPU zunehmend sinken, zumindest sobald ein kritischer Schwellenwert an Qubits erreicht ist. Wenn es nach den ambitionierten Plänen mancher Hersteller geht, soll es in nicht allzu ferner Zukunft so weit sein, da sie Quantencomputer mit 2 Millionen physischen Qubits schon im Jahr 2030 anstreben. Ungeachtet dessen, ob diese Qubit-Zahl so zeitnah erreicht wird, lassen sich Quantencomputer nicht ökonomisch sinnvoll skalieren, wenn sie nicht mehrere Mandanten gleichzeitig bedienen können.
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