Onderzoekers hebben een methode ontdekt om de al lang bestaande ‘no-kloning theorema’ in de kwantummechanica te omzeilen, waardoor de duplicatie van kwantuminformatie onder specifieke omstandigheden effectief mogelijk wordt gemaakt. De doorbraak, geleid door Achim Kempf van de Universiteit van Waterloo, toont aan dat qubits – de fundamentele eenheden van quantum computing – kunnen worden gekloond, op voorwaarde dat de informatie wordt gecodeerd met een decoderingssleutel voor eenmalig gebruik.
De niet-kloneringsstelling en zijn grenzen
Decennia lang is de niet-kloneringsstelling een hoeksteen van de kwantumfysica geweest. Het werd voor het eerst vastgesteld in de jaren tachtig en stelt dat een onbekende kwantumtoestand niet perfect kan worden gekopieerd. Elke poging om de informatie te meten en te repliceren vernietigt inherent de fragiele kwantumeigenschappen die deze waardevol maken. Dit principe ligt ten grondslag aan veel quantum-encryptieprotocollen, waardoor gegevens niet zonder detectie kunnen worden onderschept en gedupliceerd.
Het team van Kempf vond echter een oplossing: de kwantuminformatie versleutelen voordat deze werd gekopieerd. De encryptiesleutel is uniek en wegwerpbaar, wat betekent dat er op elk moment slechts één duidelijke, niet-gecodeerde kopie van de qubit kan bestaan – waardoor de compatibiliteit met de oorspronkelijke bedoeling van het theorema behouden blijft.
Hoe gecodeerd klonen werkt
De ontdekking kwam voort uit een onderzoek naar kwantum-Wi-Fi, een concept dat voorheen als onmogelijk werd beschouwd vanwege het no-cloning-theorema. Het team realiseerde zich dat willekeurige fluctuaties (ruis) in het systeem fungeerden als een natuurlijk versleutelingsmechanisme, waardoor het oorspronkelijke bericht werd versleuteld en tegelijkertijd een omkeerbaar decoderingsproces mogelijk werd gemaakt. Door opzettelijk misbruik te maken van deze ruis, bedachten ze een protocol om meerdere gecodeerde kopieën te maken.
De methode werd getest op een echte IBM Heron-kwantumcomputer en genereerde met succes honderden gecodeerde klonen van afzonderlijke qubits. Het team schat dat ze er meer dan 1.000 kunnen produceren voordat de foutenpercentages onbetaalbaar worden.
Implicaties voor kwantumcomputers en opslag
Deze doorbraak heeft aanzienlijke gevolgen voor kwantumcloudopslag en -computergebruik. Zoals Kempf uitlegt, weerspiegelt de techniek traditionele systemen voor gegevensredundantie, zoals Dropbox, waarbij bestanden over meerdere servers worden gerepliceerd om gegevensverlies te voorkomen.
“Als je een bestand naar Dropbox stuurt, worden je gegevens minstens drie keer opgeslagen op drie verschillende computers die geografisch gescheiden zijn, zodat als de ene wordt getroffen door brand en de andere door een overstroming, de kans groot is dat de derde het overleeft. Vroeger dacht men dat je dat niet kunt doen met kwantuminformatie, omdat je het niet kunt klonen. Maar wat we hebben laten zien is dat het wel kan.”
Is het echt klonen?
Sommige experts, zoals Aleks Kissinger van de Universiteit van Oxford, beweren dat dit geen echt klonen is, maar eerder een slimme herverdeling van de kwantumtoestand. Het proces creëert geen identieke, onafhankelijke kopieën; in plaats daarvan verspreidt het de informatie over meerdere partijen, waarbij uiteindelijk slechts één partij deze volledig kan herstellen.
Kempf erkent de nuance en noemt het ‘gecodeerd klonen’ – een verfijning, en geen schending, van de oorspronkelijke stelling. De belangrijkste conclusie is dat hoewel perfecte duplicatie onmogelijk blijft, veilige replicatie van kwantuminformatie nu aantoonbaar haalbaar is.
Deze ontdekking onderstreept het evoluerende begrip van de kwantummechanica en de praktische toepassingen ervan. Hoewel de methode de fundamentele wetten van de natuurkunde niet overtreedt, vergroot het de mogelijkheden voor het bouwen van robuustere en betrouwbaardere kwantumsystemen.
