Учёные преодолели фундаментальное ограничение в квантовых вычислениях: невозможность прямого копирования квантовой информации. Исследователи из Университета Ватерлоо и Университета Кюсю продемонстрировали первый метод создания избыточных, зашифрованных резервных копий кубитов, открывая путь к безопасным квантовым облачным хранилищам и надёжной квантовой инфраструктуре.
Теорема о Не-Клонировании и Её Последствия
Квантовая механика традиционно запрещает точное дублирование неизвестного квантового состояния – принцип, известный как теорема о не-клонировании. Это стало серьёзным препятствием в разработке практических квантовых систем, поскольку избыточность (необходимая для безопасности и надёжности данных в классических вычислениях) казалась невозможной. Без резервных копий квантовая информация по своей природе хрупка и уязвима к потере или повреждению.
Как Работает Прорыв: Шифрование как Обходной Путь
Новый метод не нарушает теорему о не-клонировании; он обходит её. Вместо прямого копирования исследователи шифруют кубиты по мере их репликации, создавая несколько зашифрованных версий одного и того же квантового бита. Доктор Ахим Кемпф объяснил технику, используя аналогию с паролями: «Это как разделить пароль между двумя людьми; ни один из них не может использовать его в одиночку, но в сочетании он становится ценным».
Ключи Одноразового Использования Обеспечивают Безопасность
Шифрование опирается на ключи одноразового использования для расшифровки. Как только копия расшифрована, ключ истекает, предотвращая несанкционированное дублирование. Это гарантирует, что, хотя избыточность и достигается, базовая безопасность квантовой информации сохраняется. Этот метод эффективно обходит теорему о не-клонировании, не нарушая целостность данных.
Путь к Квантовым Облачным Сервисам
Последствия этого прорыва значительны. Доктор Кемпф подчеркнул потенциал для «квантового Dropbox, квантового Google Drive или квантового STACKIT» – безопасных квантовых облачных хранилищ, где информация избыточно резервируется на нескольких серверах. Способность надёжно хранить и извлекать квантовые данные имеет решающее значение для масштабирования квантовых вычислений за пределы экспериментальных прототипов. Квантовая запутанность, когда кубиты могут обмениваться информацией экспоненциально растущими способами (100 кубитов обмениваются 2100 способами), делает это ещё более мощным.
Перспективы на Будущее
Это исследование, которое будет опубликовано в Physical Review Letters, представляет собой критический шаг к созданию практической квантовой инфраструктуры. Метод предоставляет жизнеспособный путь обхода теоремы о не-клонировании, что позволяет разрабатывать безопасные и масштабируемые квантовые облачные сервисы, которые ранее считались невозможными.
«Мы нашли обходной путь для теоремы о не-клонировании квантовой информации», – заявил доктор Ямагути. «Оказывается, если мы шифруем квантовую информацию по мере её копирования, мы можем делать столько копий, сколько захотим».
Это развитие должно ускорить реальные применения квантовых вычислений, приближая нас к будущему, где квантовые технологии могут решать ранее неразрешимые проблемы.
