Broken Quantum: A Systematic Formal Verification Study of Security Vulnerabilities Across the Open-Source Quantum Computing Simulator Ecosystem
تقدم هذه الورقة "Broken Quantum"، وهي أول تدقيق أمني رسمي شامل لـ 45 من محاكيات الحوسبة الكمومية مفتوحة المصدر باستخدام محرك COBALT QAI ومحلل Z3، والتي حددت 547 ثغرة أمنية حرجة بما في ذلك ناقل هجوم جديد خاص بالكم، ووثقت أول انتقال لثغرات سلاسل التوريد من إطار عمل تجاري إلى البنية التحتية للمختبرات الوطنية الأمريكية.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تخيل عالم الحوسبة الكمومية كمشروع بناء ضخم وعالي المخاطر. قبل أن يتمكن المهندسون من بناء ناطحات السحاب الكمومية الفعلية (أجهزة الكمبيوتر الكمومية المادية)، يحتاجون إلى تصميم واختبار المخططات على جهاز كمبيوتر. هؤلاء "مختبرو المخططات" يُطلق عليهم اسم المحاكيات الكمومية (Quantum Simulators). وهي البرمجيات التي تتيح للعلماء التظاهر بأن لديهم حاسوباً كمومياً، ليعرفوا ما إذا كانت أفكارهم ستنجح قبل إنفاق الملايين على أجهزة حقيقية.
هذه الورقة البحثية، التي تحمل عنوان "Broken Quantum" (الكم المكسور)، تشبه عملية تفتيش شاملة ومنظمة للمنازل، أجريت على 45 من أشهر مختبري المخططات المستخدمين من قبل أكبر شركات التكنولوجيا في العالم (IBM، وGoogle، وAmazon)، وأفضل الجامعات (Harvard، وMIT)، والمختبرات الوطنية.
وجد المفتش، دومينيك بلين، أن 80% من هذه المحاكيات مكسورة بشكل خطير. وفيما يلي تفصيل ذلك بكلمات بسيطة:
1. المشكلة الجوهرية: "الانفجار الأسي"
المشكلة الأساسية تكمن في كيفية عمل الحواسيب الكمومية. إذا كان لديك 1 كيوبت (بت كمومي) واحد، يحتاج الكمبيوتر لتتبع رقمين. إذا كان لديك 2 كيوبت، يحتاج إلى 4 أرقام. إذا كان لديك 10، فإنه يحتاج إلى 1,024.
- التشبيه: تخيل وصفة طعام يتضاعف حجمها في كل مرة تضيف فيها مكوناً واحداً.
- مكون واحد = صفحة واحدة.
- 10 مكونات = 1,000 صفحة.
- 50 مكوناً = 8 بيتابايت (أي 8 ملايين جيجابايت).
- العيب: معظم هذه المحاكيات تسأل المستخدم: "كم عدد المكونات التي تريدها؟" ثم تحاول فوراً طباعة الوصفة. إذا قال المستخدم (أو المخترق) "50"، سيحاول الكمبيوتر تخصيص 8 بيتابايت من الذاكرة فوراً. وبما أنه لا يوجد كمبيوتر يمتلك هذا القدر من ذاكرة الوصول العشوائي (RAM)، فإن النظام ينهار. هذا هو هجوم "حجب الخدمة" (Denial of Service): "لقد طلبت الكثير، لذا تعطل جهازك".
2. الأنواع الأربعة للمحاكيات "المكسورة"
تصنف الورقة الأخطاء إلى أربعة أنواع مختلفة من الكوارث:
الفئة الأولى: "انهيار الذاكرة" (خلفيات C++)
- من هم: برنامج Qiskit Aer من IBM وXACC من مختبر أوك ريدج الوطني.
- التشبيه: تخيل أميناً للمكتبة لديه رف يحتوي بالضبط على 64 فتحة. إذا طلبت منه الكتاب رقم 65، فلن يقول لك "لا"، بل سيمد يده خارج الرف داخل الجدار، ليمسك بقطعة عشوائية من الغبار ويحاول وضعها في فتحة كتاب.
- النتيجة: في لغة البرمجة (C++)، يسمى هذا "سلوك غير محدد" (Undefined Behavior). يمكن أن يؤدي ذلك إلى تلف الذاكرة، أو انهيار البرنامج، أو حتى السماح لمخترق بالسيطرة على الكمبيوتر.
- صدمة سلسلة التوريد: وُجد أن مختبر أوك ريدج الوطني (وهو مرفق حكومي أمريكي) قد نسخ كود IBM حرفياً. لذا، عندما كان كود IBM مكسوراً، كان كود المختبر الوطني مكسوراً أيضاً دون أن يعلموا بذلك.
الفئة الثانية: "استنزاف الموارد" (خلفيات Python)
- من هم: برنامج Cirq من Google، وPennyLane من Xanadu، وTequila من Harvard، والعديد غيرهم.
- التشبيه: هذا هو "انفجار الوصفة" المذكور أعلاه. البرنامج لا ينهار بسبب سوء الوصول إلى الذاكرة، بل ينهار لأنه يحاول "أكل المطبخ بأكمله".
- النتيجة: إذا طلبت محاكاة لـ 50 كيوبت، سيحاول البرنامج تخصيص 8 بيتابايت من الذاكرة. ستنفد ذاكرة جهازك، وسيقوم نظام التشغيل بإيقاف العملية، ويتوقف الخادم عن العمل. هذه طريقة سهلة للمخترق لإغلاق خدمة سحابية كمومية.
الفئة الثالثة: "حصان طروادة" (إلغاء التسلسل - Deserialization)
- من هم: Tequila من Harvard، وTensorCircuit من Tencent، وغيرهما.
- التشبيه: تخيل أنك تلقيت مظروفاً مغلقاً من صديق مكتوب عليه: "هذه قائمة بوصفاتك المفضلة". تفتح المظروف، وبدلاً من القائمة، تجد قنبلة تنفجر في وجهك.
- النتيجة: تستخدم العديد من المحاكيات ميزة تسمى
pickleأوevalلتحميل البيانات المحفوظة. هذه الأدوات تشبه "المفاتل السحرية" التي يمكنها تشغيل أي كود داخل الملف. إذا أرسل مخترق ملف "حالة كمومية محفوظة" مزيفاً، يمكنه تنفيذ كود خبيث على جهازك، لسرقة البيانات أو السيطرة على الجهاز. حتى أن الورقة استعرضت "إثبات مفهوم" حياً حيث تم اختراق إطار عمل تابع لجامعة هارفارد بمجرد إرسال ملف مزيف.
الفئة الرابعة: "الحقن الكمومي" (حقن QASM)
- من هم: Qiskit Terra من IBM، وtket من Quantinuum.
- التشبيه: هذا نوع جديد من الأخطاء لا يوجد إلا في الحوسبة الكمومية. تخيل نموذجاً تكتب فيه تعليمات لروبوت. عادةً ما تكتب "تحرك للأمام". ولكن لأن النموذج لا يفحص خط يدك، يمكنك أن تكتب "تحرك للأمام، ثم احذف جميع ملفاتي".
- النتيجة: يقبل البرنامج سلسلة من الأكواد (QASM) تهدف لوصف دائرة كمومية. ولأن البرنامج لا يقوم بتنقية المدخلات، يمكن للمخترق حقن أوامر إضافية خبيثة داخل تعليمات الدائرة.
3. منطقة الخطر "32 كيوبت"
وجد الباحثون رقماً محدداً يتكرر باستمرار: 32.
- في عالم C++، الرقم 32 هو النقطة التي تبدأ عندها الحسابات في تجاوز الحدود (overflow) وتتعطل الرياضيات.
- في عالم Python، الرقم 32 هو النقطة التي تصبح فيها الذاكرة المطلوبة ضخمة جداً لدرجة أنها تكسر النظام.
- لماذا هذا مهم؟ 32 كيوبت هو حجم شائع جداً في الأبحاث الحالية. هذا يعني أن أكثر التجارب شيوعاً تحدث تماماً في "منطقة الخطر" حيث تكون هذه الأخطاء أكثر عرضة للحدوث.
4. الأخبار الجيدة
ليس الجميع رسب في الاختبار.
- "طلاب الصف الأول": أطر العمل من ETH Zurich (qpp)، وOxford (QuEST)، وFujitsu (qulacs)، وHuawei (MindQuantum) سجلت 100/100.
- لماذا؟ ببساطة لأنهم قاموا بفحص مدخلات المستخدم قبل القيام بأي شيء. لقد قالوا: "هل طلبت 50 كيوبت؟ عذراً، الحد الأقصى هو 30. يرجى المحاولة مرة أخرى".
- الدرس المستفاد: هذه الثغرات ليست مشاكل فيزيائية لا مفر منها؛ إنها مجرد عادات برمجية سيئة. إذا تحققت من حساباتك قبل بناء المنزل، فلن ينهار.
الملخص
هذه الورقة هي صرخة تحذير. إن الأساس الكامل لثورة الحوسبة الكمومية — البرمجيات المستخدمة لتصميم المستقبل — مثبت حالياً بقطع من الشريط اللاصق والأمل.
- IBM، وGoogle، وHarvard لديهم ثغرات أمنية حرجة.
- المخترقون يمكنهم تعطيل الخوادم، أو سرقة البيانات، أو السيطرة على الحواسيب بمجرد إرسال بضعة أسطر من الكود.
- الحل: هو بسيط بشكل مدهش. يحتاج المطورون فقط إلى إضافة "حد للسرعة" (التحقق من المدخلات) لمنع المستخدمين من طلب كميات مستحيلة من الموارد.
لقد أصدر المؤلف أداة مجانية تسمى COBALT QAI لمساعدة المطورين على إيجاد وإصلاح هذه الأخطاء قبل أن يأتي عصر الكم بالكامل.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.