اكتشاف ثغرة تجعل الاستنساخ الكمي ممكنًا

في ميكانيكا الكم، تعتبر فكرة عدم إمكانية تكرار المعلومات الكمومية فكرة صارمة – أو على الأقل كانت كذلك. يبدو أن النهج المفاجئ لدعم الكيوبتات، وهي الوحدات الأساسية لأجهزة الكمبيوتر الكمومية، يسمح بتجاوز هذا القانون الأساسي للفيزياء.

تم اكتشاف نظرية عدم الاستنساخ لأول مرة من قبل الباحثين في الثمانينات. تقول أن الحالات الكمومية التي تصف جميع المعلومات حول النظام لا يمكن نسخها. إن محاولة قياس المعلومات لنسخها ستؤدي ببساطة إلى تدمير الخصائص الكمومية الدقيقة التي تريد قياسها. وقد أثبتت هذه الحقيقة أهميتها بالنسبة للتقنيات الكمومية مثل التشفير، مما أدى إلى بروتوكولات بسيطة تمنع نسخ المعلومات واختراقها.

وقد أظهر أكيم كيمبف من جامعة واترلو في كندا وكوجي ياماجوتشي من جامعة كيوشو في اليابان أن النظام الكمي يمكن في الواقع استنساخه، طالما أن المعلومات المتعلقة به مشفرة ومرفقة بمفتاح فك تشفير خاص لمرة واحدة.

يقول كيمبف: “يمكنك عمل الكثير من النسخ وإنشاء التكرار بهذه الطريقة، ولكن عليك تشفير النسخ، ولا يمكن استخدام مفتاح فك التشفير إلا مرة واحدة”. “وهذا يجعلها متوافقة مع نظرية عدم الاستنساخ، لأنها تنص على أنه لا يمكن أن يكون هناك سوى نسخة واحدة واضحة وواضحة وقابلة للقراءة وغير مشفرة من الكيوبت.”

توصل كيمبف وياماغوتشي إلى هذا الاستنتاج المفاجئ بعد العمل على مشكلة تبدو غير ذات صلة، وهي كيفية عمل شبكة Wi-Fi كمومية أو محطة راديو كمومية. وهذا شيء مستحيل في ظل نظرية عدم الاستنساخ التقليدية لأن أجهزة الاستقبال المتعددة ستحصل على نفس المعلومات الكمية المتطابقة.

ولكن عندما نظر الثنائي في كيفية تأثير التقلبات العشوائية، أو الضوضاء، على نسخ المعلومات التي يراها المستقبلون، أدركوا أن نظامهم قد يعمل. “لقد فكرنا، ماذا بحق الجحيم؟ لماذا يبدو أن الضوضاء الكمومية تعبث بنظرية عدم الاستنساخ؟ “

وبعد تحليل المشكلة بعناية أكبر، أدركوا أن الضجيج كان بمثابة آلية تشفير فعالة، مما أدى إلى تشويه الرسالة الأصلية ولكن بطريقة يمكن عكسها. وإذا تم ذلك عمدا، فيمكن استغلاله كأداة.

وبمجرد إثبات هذه النتيجة نظريًا، أظهر هذا الثنائي وزملاؤه الآخرون أن هذا البروتوكول يمكن أن يعمل على معالج حوسبة كمومية حقيقي من نوع IBM Heron 156-qubit.

ونظرًا لأن هذه التقنية مقاومة إلى حد ما للضوضاء والأخطاء الموجودة في كل مكان في أجهزة الكمبيوتر الكمومية اليوم، فقد وجد الفريق أنه بإمكانهم إنشاء مئات من النسخ المشفرة من الكيوبتات المفردة، من خلال تكرار العملية مرارًا وتكرارًا. “في الواقع، نفدت المساحة المتوفرة لدينا في معالج IBM. إنه يحتوي على 156 كيوبت فقط، لكننا قدرنا أنه يمكننا إجراء أكثر من 1000 نسخة مشفرة قبل ظهورنا. [errors] تجعلنا نتوقف.”

يقول كيمبف إن هذا التعديل على نظرية عدم الاستنساخ يمكن أن يكون له استخدامات للتخزين السحابي الكمي أو خدمة الحوسبة. يقول كيمبف: “إذا أرسلت ملفًا إلى Dropbox، فإنه سيحفظ بياناتك ثلاث مرات على الأقل في ثلاثة أجهزة كمبيوتر مختلفة منفصلة جغرافيًا، بحيث إذا تعرض أحدهما للنيران، والآخر بسبب الفيضان، فهناك فرصة عادلة لبقاء الثالث على قيد الحياة”. “كان من المعتقد أنه لا يمكنك فعل ذلك بالمعلومات الكمومية، لأنه لا يمكنك استنساخها. ولكن ما أظهرناه هو أنه يمكنك فعل ذلك”.

يقول ألكس كيسنجر من جامعة أكسفورد: “إنه بروتوكول تشفير كمي مثير للاهتمام”، ويمكن أن يكون له استخدامات في الاتصالات الكمومية حيث تحتاج إلى بعض التكرار في المعلومات التي يتم نقلها. ومع ذلك، فهو لا يؤثر على نظرية عدم الاستنساخ الأصلية، لأن طريقة كيمبف وفريقه ليست استنساخًا واضحًا، كما يقول. “إنه ليس استنساخًا بقدر ما هو نوع من نشر [quantum] ويقول كيسنجر: “إنها خدعة ذكية، لكنني شخصيًا لا أسمي هذا استنساخًا”.

يوافق كيمبف. ويقول: “إنه ليس استنساخًا. إنه استنساخ مشفر”. “هذا مجرد تحسين لنظرية عدم الاستنساخ.”