The Signal
OQTOPUS introduce la riserva di qubit cuscinetto contro il crosstalk
Un articolo descrive l’aggiunta a OQTOPUS di un sistema che riserva qubit cuscinetto: OQTOPUS è una piattaforma software per eseguire circuiti quantistici di più utenti su un unico chip. In un test condotto su un computer quantistico superc
Quantum.world Team · Scritto con l’IA · verificato ·
«Gli esperimenti su un dispositivo reale caratterizzano l’effetto dell’attacco in termini di rilassamento energetico e perdita di coerenza di fase, mostrando che un degrado osservabile compare nelle caratteristiche di perdita di coerenza di fase dei qubit adiacenti al circuito dell’attaccante».
Haruki Nakayama e coautori, autori dell’articolo
Gli autori di un articolo inviato ad arXiv il 21 ottobre descrivono l’aggiunta di un sistema che riserva qubit cuscinetto a OQTOPUS, una piattaforma software open source usata per far funzionare computer quantistici reali. Il metodo affronta un rischio della multiprogrammazione quantistica, o QMP, in cui un servizio cloud esegue contemporaneamente sullo stesso chip circuiti di utenti diversi. Il circuito di un utente può generare crosstalk che interferisce con la computazione di un altro utente.
Invece di cercare di individuare le attività malevole, il metodo di allocazione lascia inattivi alcuni qubit fisici tra un circuito e l’altro. Gli autori affermano che il metodo è stato implementato in OQTOPUS e rilasciato come software open source. I loro test dimostrano che il sistema di allocazione riserva i qubit cuscinetto, ma non che il metodo impedisca il degrado del risultato finale del circuito della vittima.
Le misurazioni indicano i qubit vicini
I ricercatori hanno misurato gli effetti di un attacco su un computer quantistico superconduttore presso The University of Osaka, usando un chip di qubit fornito da RIKEN. Il circuito usato per il test impiegava gate CNOT ripetuti, mentre i ricercatori misuravano il rilassamento energetico, o T1, e la perdita di coerenza di fase, o T2*, nei qubit assegnati ad altri circuiti. In un’esecuzione di riferimento hanno omesso il circuito dell’attaccante, aggiungendo però un ritardo per mantenere invariato il tempo trascorso.
Per ogni punto dati, il gruppo ha raccolto 10.000 shot di misura e ha ripetuto la misurazione sette volte in modo indipendente. Ha confrontato le stime ottenute con l’attacco e quelle di riferimento usando intervalli di confidenza approssimativi al 95%. Gli intervalli relativi a T1 comprendevano lo zero per tutti i qubit esaminati, mentre variazioni osservabili di T2* comparivano solo nelle posizioni adiacenti al circuito dell’attaccante.
Un esempio è il qubit q2, vicino al circuito dell’attaccante: per uno stato |+⟩ preparato, il suo valore di T2* stimato mediante adattamento è sceso da 2,28 ± 0,07 microsecondi nell’esecuzione di riferimento a 1,95 ± 0,05 microsecondi durante l’attacco. Per lo stato |i⟩, l’articolo riporta variazioni osservabili in q2 e q3, anch’essi adiacenti al circuito dell’attaccante. Le misurazioni avvalorano la scelta di riservare i qubit vicini in questo esperimento, ma non dimostrano che il crosstalk abbia un raggio d’azione limitato a un qubit su ogni dispositivo o con qualsiasi attacco.
OQTOPUS contrassegna i qubit interessati come non disponibili
Il sistema di allocazione colloca ciascun circuito utente sul grafo delle connessioni tra i qubit del dispositivo, poi contrassegna come qubit cuscinetto quelli inutilizzati che si trovano entro il raggio di crosstalk misurato, prima di collocare il circuito successivo. Nella formulazione dell’articolo, questi qubit riservati non possono essere usati da un altro circuito nello stesso gruppo di allocazione. Gli autori implementano i vincoli aggiuntivi come un problema di programmazione a vincoli usando OR-Tools di Google.
Per verificare la procedura di allocazione, hanno elaborato 100 circuiti generati casualmente, ciascuno dei quali usava da due a cinque qubit, su una topologia a reticolo quadrato di 64 qubit. Il software ha collocato tutti i circuiti in 12 gruppi di esecuzione senza violare i vincoli relativi ai qubit cuscinetto. In quel test, i qubit cuscinetto rappresentavano il 53,1% dei qubit del chip.
Il costo della protezione resta da misurare
Quel 53,1% descrive questo specifico test, non è una stima generale del costo in termini di risorse. Gli autori affermano che la quota di qubit cuscinetto potrebbe diminuire quando i circuiti degli utenti occupano più qubit, ma non hanno ancora quantificato il conseguente costo in termini di capacità di elaborazione per circuiti di dimensioni diverse. Riservare risorse hardware può ridurre la quantità di lavoro che un servizio programma contemporaneamente, e l’articolo lascia aperta la questione di questo compromesso.
Il gruppo indica inoltre come sviluppi futuri i test end-to-end dei risultati dei circuiti delle vittime e lo studio di attacchi con effetti a più lungo raggio. Per ora, il risultato è una modifica dell’allocazione a livello software basata su misurazioni effettuate su un dispositivo reale: OQTOPUS può mantenere inattivi i qubit fisici adiacenti tra circuiti programmati per l’esecuzione contemporanea, mentre l’effetto sulla capacità del servizio e sui risultati delle computazioni resta da quantificare.