This work presented the first thorough exploration of the attacks on the interface between gate-level and pulse-level quantum circuits and pulse-level quantum circuits themselves. Typically, quantum circuits and programs that execute on quantum computers, are defined using gate-level primitives. However, to improve the expressivity of quantum circuits and to allow better optimization, pulse-level circuits are now often used. The attacks presented in this work leverage the inconsistency between the gate-level description of the custom gate, and the actual, low-level pulse implementation of this gate. By manipulating the custom gate specification, this work proposes numerous attacks: qubit plunder, qubit block, qubit reorder, timing mismatch, frequency mismatch, phase mismatch, and waveform mismatch. This work demonstrates these attacks on the real quantum computer and simulator, and shows that most current software development kits are vulnerable to these new types of attacks. In the end, this work proposes a defense framework. The exploration of security and privacy issues of the rising pulse-level quantum circuits provides insight into the future development of secure quantum software development kits and quantum computer systems.


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量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式。对照于传统的通用计算机,其理论模型是通用图灵机;通用的量子计算机,其理论模型是用量子力学规律重新诠释的通用图灵机。从可计算的问题来看,量子计算机只能解决传统计算机所能解决的问题,但是从计算的效率上,由于量子力学叠加性的存在,目前某些已知的量子算法在处理问题时速度要快于传统的通用计算机。

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