An End-to-End Threat Model for the Quantum-as-a-Service Pipeline

Immaginate un mondo in cui i computer non si limitano a elaborare numeri con minuscoli interruttori, ma danzano con la trama stessa della realtà usando particelle che possono trovarsi in due posti contemporaneamente. Questo è il regno del calcolo quantistico, una tecnologia così potente da promettere di risolvere problemi che richiederebbero ai supercomputer odierni migliaia di anni per essere completati. Ma ecco il colpo di scena: probabilmente non ne possiederete uno di queste macchine. Invece, esse vivono in enormi centri dati a temperatura controllata, e voi vi accedete tramite internet come un videogioco o un servizio di streaming. Questo è chiamato "Quantum-as-a-Service" (QaaS). Pensatelo come l'affitto di una cucina magica e super veloce per cuocere una torta. Inviate la vostra ricetta (il codice) dal vostro computer di casa, la cucina nel cloud la cuoce in un forno speciale quantistico e vi rimanda indietro il delizioso risultato.

Tuttavia, questa conduttura magica è un po' come un treno ad alta velocità che attraversa una dozzina di stazioni diverse, ognuna con il proprio guardiano, scanner di biglietti e scambio di binari. Se un ladro riesce a ingannare lo scanner dei biglietti, a manomettere gli scambi dei binari o anche solo a sbirciare l'orario, può rubare la vostra torta o rovinare la ricetta prima ancora che venga cucinata. Sebbene gli scienziati abbiano già trovato alcuni modi subdoli per violare questi sistemi — come ingannare il forno facendogli credere di cucinare qualcos'altro — hanno guardato a ciascuna stazione in isolamento. Non hanno ancora tracciato una mappa completa di come un ladro possa saltare da una stazione all'altra per causare il massimo del caos. Questo è esattamente l'enigma che un team di ricercatori dell'Università di Jyväskylä, in Finlandia, ha deciso di risolvere.

Il documento di Badhon Rahman, Majid Haghparast e Tommi Mikkonen funge da progetto da detective esperto per l'intero viaggio di un compito quantistico. Essi scompongono il complesso processo di invio di un compito quantistico al cloud in sei fasi distinte, molto simile a una staffetta con sei corridori. Per prima, progettate il vostro circuito sul vostro computer locale (l'Ambiente di Sviluppo). Successivamente, effettuate l'accesso e consegnate la vostra ricetta (Autenticazione e Invio). Poi, il cloud organizza il vostro compito e traduce la vostra ricetta in un linguaggio che la macchina quantistica comprende (Orchestrazione e Compilazione Cloud). La quarta fase è la vera e propria cottura, dove il processore quantistico esegue il compito (Esecuzione dell'Hardware Quantistico). In seguito, i risultati vengono misurati e puliti (Percorso di Ritorno del Risultato), e infine, l'intero processo potrebbe ricominciare da capo con nuove istruzioni (Ciclo di Iterazione Ibrida).

Utilizzando una classica lista di controllo della sicurezza chiamata STRIDE — che sta per Spoofing, Tampering, Repudiation, Information Disclosure, Denial of Service ed Elevation of Privilege — gli autori hanno mappato ogni possibile modo in cui un malintenzionato potrebbe manomettere ciascuna di queste sei fasi. Non si sono limitati a elencare i trucchi noti; li hanno organizzati in una matrice colorata. Nella loro mappa, le celle arancioni mostrano attacchi che sono già stati dimostrati nella realtà, come "QubitHammer" (dove un hacker modifica le impostazioni della macchina per rompere il vostro calcolo) o gli attacchi "SWAP" (dove rubano i vostri dati scambiandoli con quelli di qualcun altro). Le celle azzurre rappresentano attacchi "ereditati", ovvero vecchi trucchi di hacking che funzionano sui computer classici che circondano la macchina quantistica, come rubare la vostra password di accesso. Le celle verde chiaro sono le più entusiasmanti: sono minacce plausibili ma poco studiate che non sono ancora state esplorate appieno, come la "Repudiation" (dove un hacker compie un'azione e poi nega con successo di averla mai fatta) o l'"Elevation of Privilege" (dove un utente di basso livello inganna il sistema per ottenere le chiavi del regno).

La vera magia di questo articolo, tuttavia, non è solo l'elenco dei singoli problemi; è come gli autori abbiano collegato i puntini per mostrare come un piccolo guasto in una fase possa scatenare un disastro massiccio in tutto il sistema. Hanno identificato tre specifiche "catene di attacco" in cui un ladro potrebbe combinare diversi trucchi per causare danni seri. Ad esempio, nella "Catena A", un hacker potrebbe prima ascoltare l'uso dell'energia della macchina quantistica per capire come appare la vostra ricetta (un attacco side-channel), e poi usare quella conoscenza segreta per lanciare un attacco di sabotaggio mirato al vostro specifico calcolo. Nella "Catena B", potrebbero usare informazioni pubbliche sulla disposizione della macchina per pianificare un attacco furtivo senza nemmeno vedere la vostra ricetta prima. Forse ancora più astutamente, la "Catena C" suggerisce che un hacker potrebbe rubare informazioni su come il cloud traduce le ricette, usare questo per creare un "Cavallo di Troia" che si nasconde all'interno del processo di traduzione, e poi manomettere il vostro compito in un modo che sembri perfettamente normale al sistema.

Mettendo insieme tutti questi pezzi, gli autori suggeriscono che dobbiamo smettere di guardare alla sicurezza quantistica come a una collezione di problemi isolati e iniziare a vederla come una conduttura connessa. Non pretendono di aver già riparato questi buchi, né dicono che il sistema sia perduto. Al contrario, forniscono un modo strutturato per vedere l'immagine completa, evidenziando quali aree necessitano di maggiore ricerca e come diverse vulnerabilità possano unirsi per creare minacce più grandi. È un promemoria del fatto che nel mondo quantistico, proprio come in un gioco di domino, se si abbatte il primo, è necessario sapere esattamente come cadranno tutti gli altri.