Forscher haben eine Methode entdeckt, um das seit langem geltende „No-Cloning-Theorem“ in der Quantenmechanik zu umgehen und die Vervielfältigung von Quanteninformationen unter bestimmten Bedingungen effektiv zu ermöglichen. Der von Achim Kempf an der University of Waterloo geleitete Durchbruch zeigt, dass Qubits – die Grundeinheiten des Quantencomputings – geklont werden können, vorausgesetzt, die Informationen werden mit einem Einweg-Entschlüsselungsschlüssel verschlüsselt.
Das No-Cloning-Theorem und seine Grenzen
Das No-Cloning-Theorem ist seit Jahrzehnten ein Eckpfeiler der Quantenphysik. Es wurde erstmals in den 1980er Jahren aufgestellt und besagt, dass ein unbekannter Quantenzustand nicht perfekt kopiert werden kann. Jeder Versuch, die Informationen zu messen und zu reproduzieren, zerstört zwangsläufig die fragilen Quanteneigenschaften, die sie wertvoll machen. Dieses Prinzip liegt vielen Quantenverschlüsselungsprotokollen zugrunde und stellt sicher, dass Daten nicht unbemerkt abgefangen und dupliziert werden können.
Kempfs Team fand jedoch einen Workaround: die Quanteninformationen vor dem Kopieren zu verschlüsseln. Der Verschlüsselungsschlüssel ist einzigartig und verfügbar, was bedeutet, dass zu jedem Zeitpunkt nur eine klare, unverschlüsselte Kopie des Qubits existieren kann – wodurch die Kompatibilität mit der Absicht des ursprünglichen Theorems gewahrt bleibt.
So funktioniert verschlüsseltes Klonen
Die Entdeckung ergab sich aus einer Untersuchung von Quanten-Wi-Fi, einem Konzept, das zuvor aufgrund des No-Cloning-Theorems als unmöglich galt. Das Team erkannte, dass zufällige Schwankungen (Rauschen) im System als natürlicher Verschlüsselungsmechanismus fungierten, der die ursprüngliche Nachricht verschlüsselte und gleichzeitig einen reversiblen Entschlüsselungsprozess ermöglichte. Durch die gezielte Ausnutzung dieses Rauschens entwickelten sie ein Protokoll zur Erstellung mehrerer verschlüsselter Kopien.
Die Methode wurde auf einem echten IBM Heron-Quantencomputer getestet und dabei erfolgreich Hunderte verschlüsselter Klone einzelner Qubits generiert. Das Team schätzt, dass sie über 1.000 produzieren könnten, bevor die Fehlerquote unerschwinglich wird.
Implikationen für Quantencomputing und -speicherung
Dieser Durchbruch hat erhebliche Auswirkungen auf die Quanten-Cloud-Speicherung und -Computing. Wie Kempf erklärt, spiegelt die Technik herkömmliche Datenredundanzsysteme wie Dropbox wider, bei denen Dateien auf mehreren Servern repliziert werden, um Datenverlust zu verhindern.
„Wenn Sie eine Datei an Dropbox senden, werden Ihre Daten mindestens dreimal auf drei verschiedenen Computern gespeichert, die geografisch voneinander getrennt sind. Wenn also einer von einem Feuer und der andere von einer Überschwemmung getroffen wird, besteht eine gute Chance, dass der dritte überlebt. Früher dachte man, dass man das mit Quanteninformationen nicht machen kann, weil man sie nicht klonen kann. Aber wir haben gezeigt, dass man es schaffen kann.“
Ist es wirklich Klonen?
Einige Experten, wie Aleks Kissinger von der Universität Oxford, argumentieren, dass es sich dabei nicht um echtes Klonen, sondern um eine geschickte Umverteilung des Quantenzustands handelt. Der Prozess erstellt keine identischen, unabhängigen Kopien; Stattdessen werden die Informationen auf mehrere Parteien verteilt, wobei letztlich nur einer in der Lage ist, sie vollständig wiederherzustellen.
Kempf erkennt die Nuance an und nennt es „verschlüsseltes Klonen“ – eine Verfeinerung und keine Verletzung des ursprünglichen Theorems. Die wichtigste Erkenntnis ist, dass eine perfekte Vervielfältigung zwar weiterhin unmöglich ist, eine sichere Vervielfältigung von Quanteninformationen jedoch nun nachweislich erreichbar ist.
Diese Entdeckung unterstreicht das sich entwickelnde Verständnis der Quantenmechanik und ihrer praktischen Anwendungen. Die Methode verstößt zwar nicht gegen die Grundgesetze der Physik, erweitert aber die Möglichkeiten zum Aufbau robusterer und zuverlässigerer Quantensysteme.
