Найдена лазейка, которая делает возможным квантовое клонирование

В квантовой механике идея о том, что квантовую информацию невозможно скопировать, совершенно ошибочна – или, по крайней мере, так оно и было. Удивительный подход к резервному копированию кубитов, основных единиц квантового компьютера, позволяет обойти этот фундаментальный закон физики.

Теорема о запрете клонирования была впервые открыта исследователями в 1980-х годах. В нем говорится, что квантовая теория утверждает, что вся информация о системе не может быть скопирована. Попытка измерить информацию путем ее копирования разрушит тонкие квантовые свойства, которые вы хотите измерить. Этот факт оказался решающим для квантовых технологий, таких как шифрование, что привело к созданию простых протоколов, предотвращающих копирование и взлом информации.

Ахим Кемпф из Университета Ватерлоо в Канаде и его коллеги теперь показали, что квантовую систему действительно можно клонировать, если информация о ней зашифрована и дополнена специальным одноразовым ключом дешифрования.

«Таким образом можно сделать множество копий и создать избыточность, но копии придется шифровать, а ключ дешифрования можно использовать только один раз», — говорит Кемпф. «Это согласуется с теоремой о запрете клонирования, поскольку она гласит, что может быть только одна ясная, однозначная, читаемая, незашифрованная копия кубита».

Кемпф и его команда пришли к этому удивительному выводу после работы над несвязанной с этим проблемой — как может работать квантовый Wi-Fi или радиостанция. Это невозможно в соответствии с традиционной теоремой о запрете клонирования, поскольку несколько получателей получат одну и ту же идентичную квантовую информацию.

Но когда Кемпф и его коллеги изучили, как случайные колебания или шум влияют на копии информации, видимые получателями, они поняли, что их система может работать. «Мы подумали: в чем смысл? Почему квантовый шум мешает теореме о запрете клонирования?»

После более тщательного анализа проблемы Кемпф и его команда поняли, что шум действует как эффективный механизм шифрования, искажая исходное сообщение, но таким образом, что его можно обратить вспять. Если это сделано намеренно, его можно использовать как инструмент.

После того, как они теоретически доказали этот результат, команда показала, что этот протокол может работать на реальных 156-кубитных квантовых вычислительных процессорах IBM Heron.

Поскольку этот метод весьма устойчив к шуму и ошибкам, повсеместно встречающимся в современных квантовых компьютерах, Кемпф и его команда обнаружили, что они могут создавать сотни зашифрованных клонов одного кубита, многократно повторяя процесс. «На самом деле, у нас закончилось место на процессоре IBM. В нем всего 156 кубитов, но мы подсчитали, что сможем сделать более 1000 зашифрованных клонов, прежде чем [errors] Остановите нас.

Кемпф говорит, что эта модификация теоремы о запрете клонирования может найти применение в квантовых облачных хранилищах или вычислительных сервисах. «Если вы отправите файл в Dropbox, он сохранит ваши данные как минимум три раза на трех разных компьютерах, разделенных географически, так что, если на одном из них произойдет пожар, а на другом наводнение, есть большая вероятность, что третий выживет», — говорит Кемпф. «Раньше считалось, что невозможно сделать то же самое с квантовой информацией, потому что ее нельзя клонировать. Но мы показали, что это можно сделать».

Алекс Киссинджер из Оксфордского университета говорит: “Это интересный квантовый криптографический протокол, и он может найти применение в квантовых коммуникациях, где требуется некоторая избыточность передаваемой информации. Однако он не влияет на основную теорему о запрете клонирования, поскольку метод Кемпфа и его команды не предполагает явного клонирования, – говорит он. – Это не столько клонирование, сколько своего рода распространение”. [quantum] «Сообщите об этом нескольким другим сторонам таким образом, чтобы любая из этих сторон могла получить их обратно позже», — говорит Киссинджер. «Это умный ход, но лично я бы не назвал это клонированием».

Кемпф соглашается. «Это не клонирование. Это зашифрованное клонирование», — говорит он. «Это всего лишь уточнение теоремы о запрете клонирования».