Исследователи обнаружили способ обойти давно устоявшуюся теорему о запрете клонирования в квантовой механике, что фактически позволяет дублировать квантовую информацию при определенных условиях. Прорыв, возглавленный Ахимом Кемпфом из Университета Ватерлоо, демонстрирует, что кубиты — фундаментальные единицы квантовых вычислений — могут быть клонированы при условии, что информация зашифрована с помощью одноразового ключа дешифрования.
Теорема о запрете клонирования и ее ограничения
На протяжении десятилетий теорема о запрете клонирования была краеугольным камнем квантовой физики. Впервые установленная в 1980-х годах, она гласит, что неизвестное квантовое состояние нельзя идеально скопировать. Любая попытка измерить и воспроизвести информацию неизбежно разрушает хрупкие квантовые свойства, которые делают ее ценной. Этот принцип лежит в основе многих протоколов квантового шифрования, гарантируя, что данные не могут быть перехвачены и продублированы без обнаружения.
Однако команда Кемпфа нашла обходной путь: шифрование квантовой информации перед копированием. Ключ шифрования является уникальным и одноразовым, что означает, что в любой момент времени может существовать только одна четкая, незашифрованная копия кубита, что сохраняет совместимость с первоначальным намерением теоремы.
Как работает зашифрованное клонирование
Открытие произошло в результате исследования квантового Wi-Fi, концепции, ранее считавшейся невозможной из-за теоремы о запрете клонирования. Команда поняла, что случайные колебания (шум) в системе действуют как естественный механизм шифрования, перемешивая исходное сообщение, позволяя при этом обратный процесс расшифровки. Преднамеренно используя этот шум, они разработали протокол для создания нескольких зашифрованных копий.
Метод был протестирован на реальном квантовом компьютере IBM Heron, успешно генерируя сотни зашифрованных клонов отдельных кубитов. Команда оценивает, что они могут произвести более 1000, прежде чем показатели ошибок станут непомерно высокими.
Последствия для квантовых вычислений и хранения
Этот прорыв имеет значительные последствия для квантового облачного хранения и вычислений. Как объясняет Кемпф, эта техника отражает традиционные системы резервного копирования данных, такие как Dropbox, где файлы реплицируются на нескольких серверах для предотвращения потери данных.
«Если вы отправляете файл в Dropbox, он сохранит ваши данные как минимум три раза на трех разных компьютерах, географически разделенных, так что если один попадет под пожар, другой — под наводнение, то есть хорошая вероятность, что третий выживет. Раньше считалось, что с квантовой информацией этого нельзя сделать, потому что ее нельзя клонировать. Но мы показали, что это возможно.»
Это действительно клонирование?
Некоторые эксперты, такие как Алекс Киссинджер из Оксфордского университета, утверждают, что это не истинное клонирование, а скорее хитрое перераспределение квантового состояния. Процесс не создает идентичные, независимые копии; вместо этого он распространяет информацию между несколькими сторонами, только одна из которых в конечном итоге может полностью восстановить ее.
Кемпф признает нюанс, называя это «зашифрованным клонированием» — уточнением, а не нарушением первоначальной теоремы. Главный вывод заключается в том, что, хотя идеальное дублирование остается невозможным, безопасное реплицирование квантовой информации теперь доказано достижимо.
Это открытие подчеркивает эволюционирующее понимание квантовой механики и ее практических применений. Хотя метод не нарушает фундаментальные законы физики, он расширяет возможности построения более надежных и отказоустойчивых квантовых систем.
