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量子物理

arXiv:2504.00366 (quant-ph)
[提交于 2025年4月1日 ]

标题: CopyQNN:量子神经网络提取攻击下的可变量子噪声

标题: CopyQNN: Quantum Neural Network Extraction Attack under Varying Quantum Noise

Authors:Zhenxiao Fu, Leyi Zhao, Xuhong Zhang, Yilun Xu, Gang Huang, Fan Chen
摘要: 量子神经网络(QNNs)在多个领域展现了重要的价值,经过良好训练的QNNs通常作为关键知识产权通过基于云的QNN即服务(QNNaaS)平台部署。 近期的研究考察了使用经典和新兴量子策略的QNN模型提取攻击。 这些攻击涉及对手向QNNaaS平台查询以获取用于训练本地替代QNNs的标记数据,这些替代QNNs可以复制云端模型的功能。 然而,现有的方法大多忽略了存在于噪声中间规模量子(NISQ)计算机中的可变量子噪声的影响,这限制了它们在实际环境中的有效性。 为了解决这一局限性,我们提出了CopyQNN框架,该框架采用三步数据清洗方法,根据数据的噪声敏感性消除噪声数据。 随后,在量子域内整合对比学习和迁移学习,使得利用有限但清洗过的查询数据集高效训练替代QNN成为可能。 在NISQ计算机上的实验结果显示,CopyQNN的实际实现显著优于最先进的QNN提取攻击,所有任务的平均性能提升达8.73%,同时将所需的查询次数减少了90倍,硬件开销仅略有增加。
摘要: Quantum Neural Networks (QNNs) have shown significant value across domains, with well-trained QNNs representing critical intellectual property often deployed via cloud-based QNN-as-a-Service (QNNaaS) platforms. Recent work has examined QNN model extraction attacks using classical and emerging quantum strategies. These attacks involve adversaries querying QNNaaS platforms to obtain labeled data for training local substitute QNNs that replicate the functionality of cloud-based models. However, existing approaches have largely overlooked the impact of varying quantum noise inherent in noisy intermediate-scale quantum (NISQ) computers, limiting their effectiveness in real-world settings. To address this limitation, we propose the CopyQNN framework, which employs a three-step data cleaning method to eliminate noisy data based on its noise sensitivity. This is followed by the integration of contrastive and transfer learning within the quantum domain, enabling efficient training of substitute QNNs using a limited but cleaned set of queried data. Experimental results on NISQ computers demonstrate that a practical implementation of CopyQNN significantly outperforms state-of-the-art QNN extraction attacks, achieving an average performance improvement of 8.73% across all tasks while reducing the number of required queries by 90x, with only a modest increase in hardware overhead.
主题: 量子物理 (quant-ph) ; 密码学与安全 (cs.CR); 机器学习 (cs.LG)
引用方式: arXiv:2504.00366 [quant-ph]
  (或者 arXiv:2504.00366v1 [quant-ph] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2504.00366
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Fan Chen [查看电子邮件]
[v1] 星期二, 2025 年 4 月 1 日 02:30:44 UTC (1,845 KB)
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