Naukowcy odkryli sposób na obejście obowiązującego od dawna twierdzenia o nieklonowaniu w mechanice kwantowej, skutecznie umożliwiając powielanie informacji kwantowej w określonych warunkach. Przełom, któremu przewodzi Achim Kempf z Uniwersytetu Waterloo, pokazuje, że kubity – podstawowe jednostki obliczeń kwantowych – można klonować, pod warunkiem, że informacje zostaną zaszyfrowane jednorazowym kluczem deszyfrującym.
Twierdzenie o nieklonowaniu i jego ograniczenia
Przez dziesięciolecia twierdzenie o nieklonowaniu było kamieniem węgielnym fizyki kwantowej. Ustalona po raz pierwszy w latach 80. XX wieku stwierdza, że nieznanego stanu kwantowego nie można idealnie skopiować. Każda próba zmierzenia i odtworzenia informacji nieuchronnie niszczy delikatne właściwości kwantowe, które czynią ją cenną. Zasada ta leży u podstaw wielu protokołów szyfrowania kwantowego, zapewniając, że dane nie mogą zostać przechwycone i zduplikowane bez wykrycia.
Jednak zespół Kempfa znalazł obejście: szyfrowanie informacji kwantowej przed kopiowaniem. Klucz szyfrujący jest unikalny i jednorazowy, co oznacza, że w danym momencie może istnieć tylko jedna wyraźna, niezaszyfrowana kopia kubitu, zachowując zgodność z pierwotną intencją twierdzenia.
Jak działa szyfrowane klonowanie
Odkrycie nastąpiło w wyniku badań nad kwantowym Wi-Fi – koncepcją, którą wcześniej uważano za niemożliwą ze względu na twierdzenie o nieklonowaniu. Zespół zdał sobie sprawę, że losowe wahania (szum) w systemie działają jak naturalny mechanizm szyfrowania, tasując oryginalną wiadomość, umożliwiając jednocześnie odwrócenie procesu deszyfrowania. Celowo wykorzystując ten szum, opracowano protokół umożliwiający tworzenie wielu zaszyfrowanych kopii.
Metodę przetestowano na prawdziwym komputerze kwantowym IBM Heron, skutecznie generując setki zaszyfrowanych klonów poszczególnych kubitów. Zespół szacuje, że może wyprodukować ponad 1000, zanim poziom błędów stanie się zbyt wysoki.
Implikacje dla obliczeń kwantowych i przechowywania
Ten przełom ma znaczące implikacje dla przechowywania i przetwarzania danych w chmurze kwantowej. Jak wyjaśnia Kempf, technika ta odzwierciedla tradycyjne systemy tworzenia kopii zapasowych danych, takie jak Dropbox, w których pliki są replikowane na wielu serwerach, aby zapobiec utracie danych.
„Jeśli wyślesz plik do Dropbox, będzie on przechowywał Twoje dane co najmniej trzy razy na trzech różnych komputerach, oddzielonych geograficznie, więc jeśli jeden ulegnie pożarowi, a drugiemu powódź, istnieje duża szansa, że trzeci przeżyje. Kiedyś nie można było tego zrobić z informacją kwantową, ponieważ nie można jej sklonować. Ale pokazaliśmy, że jest to możliwe.”
Czy to naprawdę jest klonowanie?
Niektórzy eksperci, jak na przykład Alex Kissinger z Uniwersytetu Oksfordzkiego, twierdzą, że nie jest to prawdziwe klonowanie, ale raczej sprytna redystrybucja stanu kwantowego. W procesie nie powstają identyczne, niezależne kopie; zamiast tego rozpowszechnia informacje wśród wielu stron, z których tylko jedna może je ostatecznie odzyskać w całości.
Kempf przyznaje się do tego niuansu, nazywając go „szyfrowanym klonowaniem” – jest to raczej udoskonalenie niż naruszenie pierwotnego twierdzenia. Główny wniosek jest taki, że chociaż doskonała replikacja pozostaje niemożliwa, obecnie udowodniono, że bezpieczna replikacja informacji kwantowej jest możliwa.
Odkrycie to podkreśla ewoluujące zrozumienie mechaniki kwantowej i jej praktycznych zastosowań. Choć metoda nie narusza podstawowych praw fizyki, poszerza możliwości budowania bardziej niezawodnych i odpornych na uszkodzenia układów kwantowych.
