Assessing cyber risk in complex IT infrastructures poses significant challenges due to the dynamic, interconnected nature of digital systems. Traditional methods often fall short, relying on static and largely qualitative models that do not scale with system complexity and fail to capture systemic interdependencies. In this work, we introduce a novel quantitative approach to cyber risk assessment based on Quadratic Unconstrained Binary Optimization (QUBO), a formulation compatible with both classical computing and quantum annealing. We demonstrate the capabilities of our approach using a realistic 255-nodes layered infrastructure, showing how risk spreads in non-trivial patterns that are difficult to identify through visual inspection alone. To assess scalability, we further conduct extensive experiments on networks up to 1000 nodes comparing classical, quantum, and hybrid classical-quantum workflows. Our results reveal that although quantum annealing produces solutions comparable to classical heuristics, its potential advantages are significantly hindered by the embedding overhead required to map the densely connected cyber-risk QUBO onto the limited connectivity of current quantum hardware. By contrast, hybrid quantum-classical solvers avoid this bottleneck and therefore emerge as a promising option, combining competitive scaling with an improved ability to explore the solution space and identify more stable risk configurations. Overall, this work delivers two main advances. First, we present a rigorous, tunable, and generalizable mathematical model for cyber risk that can be adapted to diverse infrastructures and domains through flexible parameterization. Second, we provide the first comparative study of classical, quantum, and hybrid approaches for cyber risk scoring at scale, highlighting the emerging potential of hybrid quantum-classical methods for large-scale infrastructures.


翻译:评估复杂IT基础设施中的网络安全风险面临重大挑战,这源于数字系统动态且相互关联的特性。传统方法通常依赖于静态且主要定性的模型,难以随系统复杂性扩展,也无法捕捉系统间的相互依赖关系,因此存在明显不足。本研究提出了一种基于二次无约束二进制优化(QUBO)的新型网络安全风险评估定量方法,该公式兼容经典计算与量子退火。我们通过一个包含255个节点的分层基础设施验证了该方法的有效性,展示了风险以非平凡模式传播的特征,这些模式仅通过视觉检查难以识别。为评估可扩展性,我们进一步在多达1000个节点的网络上进行了广泛实验,比较了经典、量子以及经典-量子混合工作流。结果表明,尽管量子退火产生的解与经典启发式算法相当,但其潜在优势因嵌入开销而受到显著制约——这种开销源于将高度互联的网络安全风险QUBO映射到当前量子硬件有限的连接性上。相比之下,混合量子-经典求解器避免了这一瓶颈,展现出良好的应用前景:它在保持竞争力的扩展性的同时,增强了解空间的探索能力,并能识别更稳定的风险配置。总体而言,本研究取得了两项主要进展:首先,我们提出了一种严谨、可调且可推广的网络安全风险数学模型,该模型可通过灵活的参数化适应不同基础设施和领域;其次,我们首次对大规模网络安全风险评分的经典、量子及混合方法进行了比较研究,凸显了混合量子-经典方法在大规模基础设施中日益凸显的应用潜力。

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