Cyber-physical control systems are critical infrastructures designed around highly responsive feedback loops that are measured and manipulated by hundreds of sensors and controllers. Anomalous data, such as from cyber-attacks, greatly risk the safety of the infrastructure and human operators. With recent advances in the quantum computing paradigm, the application of quantum in anomaly detection can greatly improve identification of cyber-attacks in physical sensor data. In this paper, we explore the use of strong pre-processing methods and a quantum-hybrid Support Vector Machine (SVM) that takes advantage of fidelity in parameterized quantum circuits to efficiently and effectively flatten extremely high dimensional data. Our results show an F-1 Score of 0.86 and accuracy of 87% on the HAI CPS dataset using an 8-qubit, 16-feature quantum kernel, performing equally to existing work and 14% better than its classical counterpart.


翻译:信息物理控制系统是关键基础设施,其设计围绕高度响应的反馈回路,由数百个传感器和控制器进行测量与操控。异常数据(例如来自网络攻击的数据)对基础设施及操作人员的安全构成重大风险。随着量子计算范式的最新进展,量子技术在异常检测中的应用可极大提升对物理传感器数据中网络攻击的识别能力。本文探讨了采用强预处理方法与量子混合支持向量机(SVM)的结合,该SVM利用参数化量子电路中的保真度特性,以高效且有效的方式对极高维数据进行降维处理。我们的实验结果显示,在HAI CPS数据集上,使用8量子比特、16特征的量子核函数取得了0.86的F1分数和87%的准确率,其性能与现有研究持平,且较经典对应方法提升14%。

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在机器学习中,支持向量机(SVM,也称为支持向量网络)是带有相关学习算法的监督学习模型,该算法分析用于分类和回归分析的数据。支持向量机(SVM)算法是一种流行的机器学习工具,可为分类和回归问题提供解决方案。给定一组训练示例,每个训练示例都标记为属于两个类别中的一个或另一个,则SVM训练算法会构建一个模型,该模型将新示例分配给一个类别或另一个类别,使其成为非概率二进制线性分类器(尽管方法存在诸如Platt缩放的问题,以便在概率分类设置中使用SVM)。SVM模型是将示例表示为空间中的点,并进行了映射,以使各个类别的示例被尽可能宽的明显间隙分开。然后,将新示例映射到相同的空间,并根据它们落入的间隙的侧面来预测属于一个类别。

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