Wetenschappers hebben een fundamentele beperking in kwantumcomputers overwonnen: het onvermogen om kwantuminformatie rechtstreeks te kopiëren. Onderzoekers van de Universiteit van Waterloo en Kyushu University hebben de eerste methode gedemonstreerd voor het maken van redundante, gecodeerde back-ups van qubits, waarmee de weg wordt vrijgemaakt voor veilige kwantumcloudopslag en robuuste kwantuminfrastructuur.
De niet-kloneringsstelling en de implicaties ervan
De kwantummechanica verbiedt traditioneel de exacte duplicatie van een onbekende kwantumtoestand – een principe dat bekend staat als de niet-kloneringsstelling. Dit is een groot obstakel geweest bij de ontwikkeling van praktische kwantumsystemen, omdat redundantie (essentieel voor gegevensbeveiliging en betrouwbaarheid bij klassiek computergebruik) onmogelijk leek. Zonder back-ups is kwantuminformatie inherent kwetsbaar en kwetsbaar voor verlies of corruptie.
Hoe de doorbraak werkt: encryptie als oplossing
De nieuwe methode is niet in strijd met het no-cloning-theorema; het omzeilt het. In plaats van direct te kopiëren, versleutelen de onderzoekers qubits terwijl ze worden gerepliceerd, waardoor meerdere gecodeerde versies van dezelfde kwantumbit ontstaan. Dr. Achim Kempf legde de techniek uit met behulp van een analogie met wachtwoorden: “Het is alsof je een wachtwoord tussen twee mensen deelt; geen van beide kan het alleen gebruiken, maar gecombineerd wordt het waardevol.”
Sleutels voor eenmalig gebruik zorgen voor veiligheid
De codering is afhankelijk van decoderingssleutels voor eenmalig gebruik. Zodra een kopie is ontsleuteld, vervalt de sleutel, waardoor ongeoorloofde duplicatie wordt voorkomen. Dit zorgt ervoor dat, hoewel er redundantie wordt bereikt, de onderliggende veiligheid van de kwantuminformatie behouden blijft. Deze methode omzeilt effectief het no-cloning-theorema zonder de gegevensintegriteit in gevaar te brengen.
Het pad naar Quantum Cloud Services
De gevolgen van deze doorbraak zijn aanzienlijk. Dr. Kempf benadrukte het potentieel van “kwantum Dropbox, een kwantum Google Drive of een kwantum STACKIT” – veilige kwantumcloudopslag waarbij informatie redundant wordt geback-upt over meerdere servers. Het vermogen om kwantumgegevens op betrouwbare wijze op te slaan en op te halen is cruciaal voor het opschalen van kwantumcomputing voorbij experimentele prototypes. Kwantumverstrengeling, waarbij qubits informatie op exponentieel groeiende manieren kunnen delen (100 qubits delen op 2100 manieren), maakt dit nog krachtiger.
Toekomstperspectief
Dit onderzoek, dat zal worden gepubliceerd in Physical Review Letters, vertegenwoordigt een cruciale stap in de richting van het bouwen van praktische kwantuminfrastructuur. De methode biedt een haalbaar pad rond het no-cloning-theorema, waardoor de ontwikkeling van veilige en schaalbare kwantumclouddiensten mogelijk wordt gemaakt die voorheen als onmogelijk werden beschouwd.
“We hebben een oplossing gevonden voor het no-cloning-theorema van kwantuminformatie,” verklaarde Dr. Yamaguchi. “Het blijkt dat als we de kwantuminformatie versleutelen terwijl we deze kopiëren, we zoveel kopieën kunnen maken als we willen.”
Deze ontwikkeling staat klaar om de toepassingen van quantum computing in de echte wereld te versnellen, waardoor we dichter bij een toekomst komen waarin quantumtechnologie voorheen hardnekkige problemen kan oplossen.
