Impact of input data alteration and modification of the algorithm parameters on the efficiency of quantum programs

While the excitement in the area of quantum computing is fully justified by the new theoretical developments, year by year scientists have discovered new limitations of quantum computing devices. In particular, unitary operation decomposition provides a number of problems including the applications to hardware with fixed topology. Moreover, quantum algorithms have proved to be sensitive to noise, which may impact the results of the computation. This resulted in the development of a new branch of quantum computing, namely the theory of quantum error-correcting codes. This aspect became even more critical when first commercial quantum computing systems became available. Furthermore, for quantum cryptographic protocols, hardware attacks, based on the security holes of conventional electronics, have been discovered. This demonstrated that the theoretical security confirmed by the laws of physics in the ideal environment could lead to the creation of insecure protocols the real-world applications.

The main goal of the project is to develop theoretical methods suitable for analysing the impact of quantum programme alternation – input data modification or imprecise implementation of the algorithm – on the efficiency of quantum algorithms. Quantum programme is a sequence of quantum operations and the quantum representation of input data which are sent to the quantum processor. In some cases, we can consider quantum programme alternation as an action of a malicious party, and in this scenario, we can understand it as an attack on a quantum processor or quantum program.

Numer projektu: 

2019/33/B/ST6/02011

Termin: 

30/01/2020 to 29/01/2023

Typ projektu: 

Projekt własny badawczy

Kierownik projektu: 

Wykonawcy projektu: 

Publications: 

Partnerzy: 

Wigner Research Centre for Physics, Budapest, University of Latvia, Riga

Historia zmian

Data aktualizacji: 26/01/2022 - 11:25; autor zmian: Jarosław Miszczak (miszczak@iitis.pl)

While the excitement in the area of quantum computing is fully justified by the new theoretical developments, year by year scientists have discovered new limitations of quantum computing devices. In particular, unitary operation decomposition provides a number of problems including the applications to hardware with fixed topology. Moreover, quantum algorithms have proved to be sensitive to noise, which may impact the results of the computation. This resulted in the development of a new branch of quantum computing, namely the theory of quantum error-correcting codes. This aspect became even more critical when first commercial quantum computing systems became available. Furthermore, for quantum cryptographic protocols, hardware attacks, based on the security holes of conventional electronics, have been discovered. This demonstrated that the theoretical security confirmed by the laws of physics in the ideal environment could lead to the creation of insecure protocols the real-world applications.

The main goal of the project is to develop theoretical methods suitable for analysing the impact of quantum programme alternation – input data modification or imprecise implementation of the algorithm – on the efficiency of quantum algorithms. Quantum programme is a sequence of quantum operations and the quantum representation of input data which are sent to the quantum processor. In some cases, we can consider quantum programme alternation as an action of a malicious party, and in this scenario, we can understand it as an attack on a quantum processor or quantum program.

Data aktualizacji: 13/03/2020 - 17:32; autor zmian: Jarosław Miszczak (miszczak@iitis.pl)

Podczas gdy podekscytowanie w dziedzinie obliczeń kwantowych jest w pełni uzasadnione nowymi osiągnięciami teoretycznymi, z roku na rok naukowcy odkrywają kolejne ograniczenia urządzeń  kwantowych. W szczególności szereg problemów stwarza rozkład podstawowych operacji, w tym ich aplikacja na sprzęcie o zadanej topologii. Ponadto udowodniono, że algorytmy kwantowe są wrażliwe na zakłócenia, które mogą wpływać na wyniki obliczeń. Zaowocowało to opracowaniem nowej gałęzi obliczeń kwantowych, a mianowicie kwantowej teorii kodów korekcyjnych. Ten aspekt stał się jeszcze bardziej krytyczny, gdy pojawiły się pierwsze komercyjne systemy obliczeń kwantowych. Ponadto w przypadku kwantowych protokołów kryptograficznych wykryto ataki sprzętowe oparte na lukach bezpieczeństwa konwencjonalnej elektroniki. To pokazało, że teoretyczne bezpieczeństwo potwierdzone przez prawa fizyki w idealnym środowisku może doprowadzić do stworzenia protokołów niedostosowanych do pracy w warunkach rzeczywistych.

Celem tego projektu jest opracowanie metod teoretycznych odpowiednich do analizy wpływu zmienności programu kwantowego - modyfikacji danych wejściowych lub nieprecyzyjnej implementacji algorytmu - na wydajność programów kwantowych. Tutaj program kwantowy to sekwencja operacji kwantowych i kwantowa reprezentacja danych wejściowych, które są wysyłane do procesora kwantowego. W niektórych przypadkach możemy uznać zmianę programu kwantowego jako działanie adwersarza i w tym scenariuszu możemy to rozumieć jako atak na procesor kwantowy lub program kwantowy.