Все выпуски

Квадратичная неограниченная бинарная оптимизация (QUBO) зарекомендовала себя в качестве эффективного инструмента для решения NP-трудных задач в области информационной безопасности. В QUBO-формулировке задача описывается в виде квадратичной функции бинарных переменных, минимум которой соответствует оптимальному решению. Такая запись учитывает линейные (индивидуальное влияние) и квадратичные (парные взаимодействия) зависимости. Особенно примечательно, что QUBO-алгоритмы можно имплементировать в квантовые вычислительные устройства на основе отжига, например D-Wave, которые позволяют найти собственное состояние гамильтониана соответствующей модели Изинга посредством квантовых или гибридных алгоритмов. При этом решение QUBO-задачи можно получить и на полностью классической архитектуре. Такие алгоритмы называют квантово вдохновленными, потому что они имитируют физические явления. Примером таких квантово вдохновленных алгоритмов являются симулированный отжиг (Simulated Annealing, SA) и симулированные бифуркации (Simulated Bifurcation, SB). За последние 5–7 лет большое количество работ было посвящено применению QUBO-формулировки для разнообразных задач информационной безопасности, начиная от взлома ключей безопасности до детекции атак, с целью доказать эффективность новых вычислительных парадигм. В данном исследовании мы анализируем эти работы, сгруппировав их по области применения и выделяя архитектурные подходы (квантовая, гибридная, классическая) в каждом сценарии. Мы уделяем внимание тому, как задача была переформулирована в QUBO-постановку или модель Изинга, анализируем ключевые стратегии решения и полученные результаты на оптимальность, масштабируемость, сложность. Мы выделяем основные преимущества и недостатки каждой QUBO-постановки в контексте информационной безопасности и в заключение обсуждаем актуальные задачи и перспективные направления для исследований.

Quadratic Unconstrained Binary Optimization (QUBO) provides a common modeling framework for combinatorial optimization problems arising in cybersecurity. This review analyzes how cryptanalytic constraints, anomaly-detection objectives, network-defense tasks and cyber-risk models can be encoded as QUBO or equivalent Ising formulations. We compare three classes of solvers used in the literature: physical quantum annealers, hybrid quantum-classical workflows and quantum-inspired classical heuristics such as simulated annealing and simulated bifurcation. Particular attention is paid to the gap between formal QUBO expressiveness and practical solvability on current hardware, including embedding overhead, limited connectivity, noise and scaling constraints. The reviewed studies are grouped by application domain and assessed in terms of model size, solution quality, runtime indicators and reproducibility of computational settings. We show that QUBO is already useful as a unifying language for cybersecurity optimization, while near-term practical advantages are most plausible in hybrid and quantum-inspired settings rather than in fully quantum implementations. The review concludes by outlining open problems in QUBO construction, decomposition, sparsification and benchmarking for cybersecurity applications.

Перенос заряда в ДНК моделируется с помощью дискретной модели Холстейна «квантовая частица + классическая цепочка сайтов + взаимодействие». Влияние температуры термостата учитывается с помощью случайной силы, действующей на классические сайты (уравнение Ланжевена). Таким образом, динамика распространения заряда вдоль цепочки описывается системой ОДУ со случайной правой частью. Для интегрирования таких систем обычно применяют алгоритмы 1 или 2 порядка. Мы разработали смешанный алгоритм, имеющий 4 порядок точности по быстрым «квантовым» переменным (заметим, что в «квантовой» подсистеме должно соблюдаться условие: «сумма вероятностей нахождения заряда на сайте постоянна по времени») и 2 порядок по медленным «классическим» переменным, на которые действует случайная сила. Алгоритм позволяет считать на бóльших временах, чем стандартные. В качестве примера приведен модельный расчет развала полярона в однородной цепочке под действием температурных флуктуаций.

Charge transfer in DNA is simulated by a discrete Holstein model «quantum particle + classical site chain + interaction». Thermostat temperature is taken into account as stochastic force, which acts on classical sites (Langevin equation). Thus dynamics of charge migration along the chain is described by ODE system with stochastic right-hand side. To integrate the system numerically, algorithms of order 1 or 2 are usually applied. We developed «mixed» algorithm having 4th order of accuracy for fast «quantum» variables (note that in quantum subsystem the condition «sum of probabilities of charge being on site is time-constant» must be held), and 2nd order for slow classical variables, which are affecting by stochastic force. The algorithm allows us to calculate trajectories on longer time intervals as compared to standard algorithms. Model calculations of polaron disruption in homogeneous chain caused by temperature fluctuations are given as an example.

На основе гамильтониана Холстейна промоделирована динамика заряда, привнесенного в молекулярную цепочку сайтов, при разной температуре. При расчете температура цепочки задается начальными данными — случайными гауссовыми распределениями скоростей и смещений сайтов. Рассмотрены разные варианты начального распределенияз арядовой плотности. Расчеты показывают, что система на больших расчетных временах переходит к колебаниям около нового равновесного состояния. Для одинаковых начальных скоростей и смещений средняя кинетическая энергия (и, соответственно, температура $T$) цепочки меняется в зависимости от начального распределения зарядовой плотности: убывает при внесении в цепочку полярона или увеличивается, если в начальный момент электронная часть энергии максимальна.

Проведено сравнение с результатами, полученными ранее в модели с термостатом Ланжевена. В обоих случаях существование полярона определяется тепловой энергией всей цепочки. По результатам моделирования, переход от режима полярона к делокализованному состоянию происходит в одинаковой области значений тепловой энергии цепочки $N$ сайтов ~ $NT$ для обоих вариантов термостата, с дополнительной корректировкой: для гамильтоновой системы температура не соответствует начально заданной, а определяется на больших расчетных временах из средней кинетической энергии цепочки.

В поляронной области применение разных способов имитации температуры приводит к ряду существенных различий в динамике системы. В области делокализованного состояния заряда, для больших температур, результаты, усредненные по набору траекторий в системе со случайной силой, и результаты, усредненные по времени для гамильтоновой системы, близки, что не противоречит гипотезе эргодичности. С практической точки зрения для больших температур T ≈ 300 K при моделировании переноса заряда в однородных цепочках можно использовать любой вариант задания термостата.

Based on the Holstein Hamiltonian, the dynamics of the charge introduced into the molecular chain of sites was modeled at different temperatures. In the calculation, the temperature of the chain is set by the initial data ¡ª random Gaussian distributions of velocities and site displacements. Various options for the initial charge density distribution are considered. Long-term calculations show that the system moves to fluctuations near a new equilibrium state. For the same initial velocities and displacements, the average kinetic energy, and, accordingly, the temperature of the T chain, varies depending on the initial distribution of the charge density: it decreases when a polaron is introduced into the chain, or increases if at the initial moment the electronic part of the energy is maximum. A comparison is made with the results obtained previously in the model with a Langevin thermostat. In both cases, the existence of a polaron is determined by the thermal energy of the entire chain.

According to the simulation results, the transition from the polaron mode to the delocalized state occurs in the same range of thermal energy values of a chain of $N$ sites ~ $NT$ for both thermostat options, with an additional adjustment: for the Hamiltonian system the temperature does not correspond to the initially set one, but is determined after long-term calculations from the average kinetic energy of the chain.

In the polaron region, the use of different methods for simulating temperature leads to a number of significant differences in the dynamics of the system. In the region of the delocalized state of charge, for high temperatures, the results averaged over a set of trajectories in a system with a random force and the results averaged over time for a Hamiltonian system are close, which does not contradict the ergodic hypothesis. From a practical point of view, for large temperatures T ≈ 300 K, when simulating charge transfer in homogeneous chains, any of these options for setting the thermostat can be used.