Дослідники виявили спосіб обійти давно усталену теорему про заборону клонування в квантовій механіці, що фактично дозволяє дублювати квантову інформацію за певних умов. Прорив, очолений Ахімом Кемпфом з Університету Ватерлоо, демонструє, що кубити — фундаментальні одиниці квантових обчислень — можуть бути клоновані за умови, що інформація зашифрована за допомогою одноразового ключа дешифрування.
Теорема про заборону клонування та її обмеження
Протягом десятиліть теорема про заборону клонування була наріжним каменем квантової фізики. Вперше встановлена у 1980-х роках, вона говорить, що невідомий квантовий стан не можна ідеально скопіювати. Будь-яка спроба виміряти та відтворити інформацію неминуче руйнує крихкі квантові властивості, які роблять її цінною. Цей принцип лежить в основі багатьох протоколів квантового шифрування, гарантуючи, що дані не можуть бути перехоплені та продубльовані без виявлення.
Проте команда Кемпфа знайшла обхідний шлях: шифрування квантової інформації перед копіюванням. Ключ шифрування є унікальним та одноразовим, що означає, що у будь-який момент часу може існувати лише одна чітка, незашифрована копія кубіту, що зберігає сумісність із початковим наміром теореми.
Як працює зашифроване клонування
Відкриття відбулося в результаті дослідження квантового Wi-Fi, концепції, яка раніше вважалася неможливою через теорему про заборону клонування. Команда зрозуміла, що випадкові коливання (шум) у системі діють як природний механізм шифрування, перемішуючи вихідне повідомлення, дозволяючи при цьому зворотний процес розшифрування. Навмисно використовуючи цей шум, вони розробили протокол створення декількох зашифрованих копій.
Метод протестували на реальному квантовому комп’ютері IBM Heron, успішно генеруючи сотні зашифрованих клонів окремих кубитів. Команда оцінює, що вони можуть зробити понад 1000, перш ніж показники помилок стануть непомірно високими.
Наслідки для квантових обчислень та зберігання
Цей прорив має значні наслідки для квантового хмарного зберігання та обчислень. Як пояснює Кемпф, ця техніка відображає традиційні системи резервного копіювання даних, такі як Dropbox, де файли реплікуються на кількох серверах для запобігання втраті даних.
“Якщо ви відправляєте файл у Dropbox, він збереже ваші дані як мінімум три рази на трьох різних комп’ютерах, географічно розділених, так що якщо один потрапить під пожежу, інший – під повінь, то є хороша ймовірність, що третій виживе. Раніше вважалося, що з квантовою інформацією цього не можна зробити, тому що її не можна клонувати, тому що її не можна клонувати. Тому що її не можна клонувати. Тому що її не можна клонувати. Тому що її не можна клонувати”.
Це справді клонування?
Деякі експерти, такі як Алекс Кісінджер з Оксфордського університету, стверджують, що це не справжнє клонування, а скоріше хитрий перерозподіл квантового стану. Процес не створює ідентичних, незалежних копій; натомість він поширює інформацію між декількома сторонами, тільки одна з яких, зрештою, може повністю відновити її.
Кемпф визнає нюанс, називаючи це “зашифрованим клонуванням” – уточненням, а не порушенням початкової теореми. Головний висновок полягає в тому, що хоча ідеальне дублювання залишається неможливим, безпечне реплікування квантової інформації тепер доведено досяжно.
Це відкриття наголошує на еволюціонуючому розумінні квантової механіки та її практичних застосувань. Хоча метод не порушує фундаментальні закони фізики, він розширює можливості побудови більш надійних та стійких до відмови квантових систем.
