Nanotechnology Now – Pressemitteilung: Der Ansatz der Forscher könnte Quantencomputer vor Angriffen schützen

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Dr. Kanad Basu (links) und seine Kollegen haben eine Möglichkeit entwickelt, den Auswirkungen von Angriffen entgegenzuwirken, die darauf abzielen, die Fähigkeit künstlicher Intelligenz, Entscheidungen zu treffen oder Aufgaben in Quantencomputern zu lösen, zu stören. Zu seinem Team gehören die Doktoranden der Computertechnik Sanjay Das, Navnil Choudhury (sitzend) und Shamik Kundu (rechts).

CREDIT
Die Universität von Texas in Dallas

Abstract:
Von Quantencomputern, die mehrere komplexe Probleme exponentiell schneller lösen können als klassische Computer, wird erwartet, dass sie Anwendungen der künstlichen Intelligenz (KI) verbessern, die in Geräten wie autonomen Fahrzeugen eingesetzt werden; Allerdings sind Quantencomputer genau wie ihre Vorgänger anfällig für gegnerische Angriffe.

Der Ansatz der Forscher könnte Quantencomputer vor Angriffen schützen

Dallas, TX | Gepostet am 8. März 2024

Ein Team aus Forschern der University of Texas in Dallas und einem Industriepartner hat einen Ansatz entwickelt, um Quantencomputern eine zusätzliche Schutzschicht gegen solche Angriffe zu verleihen. Ihre Lösung, Quantum Noise Injection for Adversarial Defense (QNAD), wirkt den Auswirkungen von Angriffen entgegen, die darauf abzielen, die Inferenz zu stören – die Fähigkeit der KI, Entscheidungen zu treffen oder Aufgaben zu lösen. Das Team wird Forschungsergebnisse, die die Methode demonstrieren, auf dem IEEE International Symposium on Hardware Oriented Security and Trust vom 6. bis 9. Mai in Washington, D.C. vorstellen

„Gegnerische Angriffe, die darauf abzielen, die KI-Inferenz zu stören, können schwerwiegende Folgen haben“, sagte Dr. Kanad Basu, Assistenzprofessor für Elektrotechnik und Computertechnik an der Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science. „Ein Angriff kann damit verglichen werden, dass jemand einen Aufkleber über ein Stoppschild klebt: Ein autonomes Fahrzeug erkennt das Stoppschild möglicherweise nicht richtig, interpretiert es als Schild mit reduzierter Geschwindigkeit und hält daher nicht an.“ Unser Ziel mit diesem Ansatz ist es, Quantencomputeranwendungen sicherer zu machen.“

Quantencomputing ist eine sich schnell entwickelnde Technologie, die die Quantenmechanik – die Untersuchung des Verhaltens von Teilchen auf subatomarer Ebene – nutzt, um komplexe Rechenprobleme zu lösen.

Wie Bits in herkömmlichen Computern stellen Qubits die grundlegende Informationseinheit in Quantencomputern dar. Bits in klassischen Computern repräsentieren 1 oder 0. Qubits nutzen jedoch das Superpositionsprinzip, was bedeutet, dass sie gleichzeitig in einem Zustand von 0 und 1 sein können; Daher können Qubits zwei Zustände darstellen, was zu einer erheblichen Beschleunigung im Vergleich zu herkömmlichen Computern führt. Beispielsweise haben Quantencomputer aufgrund ihrer Rechenleistung das Potenzial, hochsichere Verschlüsselungssysteme zu knacken.

Eine der Herausforderungen von Quantencomputern ist ihre Anfälligkeit für „Rauschen“ oder Störungen aufgrund von Faktoren wie Temperaturschwankungen, Magnetfeldern oder Unvollkommenheiten in Hardwarekomponenten. Quantencomputer sind außerdem anfällig für „Crosstalk“ oder unbeabsichtigte Wechselwirkungen zwischen Qubits. Rauschen und Übersprechen können zu Rechenfehlern führen.

Der Ansatz der Forscher nutzt intrinsisches Quantenrauschen und Übersprechen, um gegnerischen Angriffen entgegenzuwirken. Die Methode führt Crosstalk in das Quanten-Neuronale Netzwerk (QNN) ein, eine Form des maschinellen Lernens, bei dem große Datensätze Computer darin trainieren, Aufgaben auszuführen, einschließlich der Erkennung von Objekten wie Stoppschildern oder anderen Computer-Vision-Aufgaben.

„Das verrauschte Verhalten von Quantencomputern verringert tatsächlich die Auswirkungen von Angriffen“, sagte Basu, der leitende Autor der Studie. „Wir glauben, dass dies ein einzigartiger Ansatz ist, der andere Abwehrmaßnahmen gegen gegnerische Angriffe ergänzen kann.“

Die Forscher zeigten, dass eine KI-Anwendung während eines Angriffs mit QNAD 268 % genauer war als ohne.

Shamik Kundu, ein Doktorand der Computertechnik und erster Co-Autor, sagte, der Ansatz sei darauf ausgelegt, andere Techniken zum Schutz der Sicherheit von Quantencomputern zu ergänzen. Kundu verglich den Nutzen des Rahmenwerks mit dem von Sicherheitsgurten in Autos.

„Im Falle eines Unfalls sind die Auswirkungen des Unfalls viel größer, wenn wir den Sicherheitsgurt nicht anlegen“, sagte Kundu. „Wenn wir andererseits den Sicherheitsgurt anlegen, werden die Auswirkungen des Aufpralls selbst bei einem Unfall abgemildert. Das QNAD-Framework funktioniert ähnlich wie ein Sicherheitsgurt und verringert die Auswirkungen gegnerischer Angriffe, die den Unfall symbolisieren, für ein QNN-Modell.“

Zu den weiteren Studienautoren zählen die Doktoranden der Informatik, Navnil Choudhury, der auch Erstautor ist, und Sanjay Das. Mitarbeitete auch Dr. Arnab Raha, ein leitender Forschungswissenschaftler bei Intel Corp.

Die Forschung wurde von der National Science Foundation finanziert.

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Kontakte:
Kim Horner
University of Texas in Dallas
Büro: 972-883-4463

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