量子力學的諸多奇特特性中，未知量子態(tài)無法被復制這一點，給量子計算與量子通信領域帶來了巨大挑戰(zhàn)。如今，研究人員已證明，通過在克隆量子比特時對其進行加密，就能突破這一限制。這一發(fā)現(xiàn)有望解鎖全新的強大功能，包括量子領域的云存儲等效方案。

量子技術的強大之處，很大程度上源于量子比特（量子領域中與經(jīng)典比特對應的基本單元）的特性：在被測量前，量子比特可處于多種可能狀態(tài)的疊加態(tài)。這使得量子系統(tǒng)能夠同時表征和處理多種可能性，而經(jīng)典比特始終只能是 0 或 1 兩種狀態(tài)之一。然而，對量子比特的測量會導致其疊加態(tài)坍縮為單一確定狀態(tài)。這就使得復制量子比特變得不可能 —— 因為要復制它，就必須先對其進行測量，而這會不可避免地干擾被復制的量子態(tài)。

這一根本性障礙被稱為 “無克隆定理”，它給量子技術帶來了機遇，也帶來了挑戰(zhàn)。量子通信系統(tǒng)之所以具備極高的安全性，正是得益于這一定理 —— 任何試圖攔截量子信號的人，若不改變信號的量子態(tài)，就無法讀取信息，這使得信息被篡改的痕跡一目了然。

但與此同時，它也意味著量子比特無法被復制或備份，這讓量子技術無法沿用經(jīng)典計算與通信中的一些基礎技術。例如，云服務提供商通常會為客戶的數(shù)據(jù)創(chuàng)建多個副本，并存儲在不同位置以實現(xiàn)冗余備份；數(shù)字通信系統(tǒng)則通過發(fā)送多條信息副本來防范數(shù)據(jù)傳輸錯誤。不過，如今有兩位研究人員發(fā)現(xiàn)了一種看似簡單的規(guī)避方案。

“在經(jīng)典計算中，復制粘貼和備份操作隨時隨地都在進行，而在量子計算領域，我們似乎只能放棄這種操作。” 加拿大滑鐵盧大學應用數(shù)學教授 Achim Kempf 表示，“但我們發(fā)現(xiàn)，量子比特其實可以被完美克隆，不過有一個前提條件：在克隆的同時，必須對其進行加密。”

一次偶然的發(fā)現(xiàn)

Kempf 透露，這一發(fā)現(xiàn)源于一次偶然 —— 當時他的合作者、日本九州大學助理教授 Koji Yamaguchi 正在他的實驗室擔任博士后研究員。兩人當時正在研究無線量子通信的可行性，以及所有電磁場固有的隨機量子漲落對該技術的影響。在研究過程中，他們發(fā)現(xiàn)，向量子比特中添加噪聲，本質(zhì)上相當于對其進行加密：在通過減去噪聲解密之前，量子比特的狀態(tài)無法被測量。

量子比特加密與克隆示意圖  加密克隆開創(chuàng)了一種新范式，可在無克隆定理禁止直接復制的前提下，實現(xiàn)量子信息的冗余存儲、并行處理或擴展。例如，加密克隆的一個潛在應用是實現(xiàn)加密量子多云存儲。

他們還發(fā)現(xiàn)，有可能創(chuàng)建多個加密后的量子比特副本 —— 因為在其中一個副本被解密前，量子態(tài)始終處于隱藏狀態(tài)。肯普夫介紹，這一方案的原理與經(jīng)典的 “一次性密碼本” 類似：通過一種特殊的算術運算，將信息與一串隨機數(shù)字構成的密鑰相結(jié)合，從而實現(xiàn)加密；接收方需使用相同的密鑰逆轉(zhuǎn)該運算，才能解密信息。該方案的詳細內(nèi)容已發(fā)表在近期的《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。

但關鍵在于，這種新型量子加密方案中的密鑰只能使用一次。Kempf 解釋，這意味著只能解密其中一個副本 —— 這一點對于確保該方案不違反無克隆定理至關重要，因為它保證了你永遠無法同時觀測到多個克隆體的量子態(tài)。“量子信息永遠只能有一個清晰的副本，這是自然規(guī)律所決定的。” Kempf 說。

該量子加密方案的工作流程如下：首先生成成對的帶噪聲糾纏量子比特，將其分為兩部分 —— 用于創(chuàng)建克隆體的信號量子比特，以及記錄信號量子比特噪聲信息（本質(zhì)上相當于方案中的 “加密密鑰”）的噪聲量子比特；隨后，通過量子電路讓待復制的量子比特與信號量子比特發(fā)生相互作用，使待復制量子比特的量子態(tài)烙印在帶噪聲的信號量子比特上。

要讀取其中一個 “加密” 信號量子比特的狀態(tài)，首先需要從中減去噪聲。這一步通過另一個量子電路實現(xiàn)：讓其中一個信號量子比特與所有噪聲量子比特相互作用，抵消噪聲，從而讀取從原始量子比特復制而來的量子信息。而這一相互作用也會改變噪聲量子比特的狀態(tài)，這就是密鑰只能使用一次的原因。

Koji Yamaguchi 表示，此前已有研究人員嘗試繞開無克隆定理，但其他量子克隆協(xié)議只能生成近似副本，且生成的副本越多，質(zhì)量就越差。相比之下，這種新方案至少在理論上可以生成無限多個完美副本。

實際應用潛力

紐約城市大學物理學教授 Mark Hillery 是量子信息領域的專家。他質(zhì)疑這種方案是否真的屬于 “克隆”—— 因為最終只有一個量子比特與初始量子比特處于相同狀態(tài)，并沒有產(chǎn)生額外的有效副本。不過，他認為該協(xié)議可能在量子通信領域具有實用價值。“量子隱形傳態(tài)可以將量子信息從一個量子比特轉(zhuǎn)移到另一個量子比特，但這種新協(xié)議增加了幾個新穎的元素：首先，量子信息可以最終存在于多個不同的量子比特中的任意一個；其次，與隱形傳態(tài)不同，它不需要經(jīng)典通信或糾錯操作。這是一項非常出色的研究成果。”

研究人員已在真實設備上測試了該方案。在與 IBM 同事合作開展的一項未發(fā)表研究中，他們在 IBM 的 Heron 處理器上驗證了這種新型加密方案，成功生成了大量加密克隆體。Kempf 表示，實驗表明，該方案對可能影響量子操作的硬件缺陷并不十分敏感。更重要的是，他們證明了克隆體不僅能復制原始量子態(tài)，還能與原始量子比特原本糾纏的其他量子比特保持糾纏關系。“實驗結(jié)果非常理想，超出了我們的預期。” Kempf 說，“加密克隆協(xié)議不僅可行，而且效果很好。”

研究人員表示，這一方案意味著量子信息系統(tǒng)現(xiàn)在可以實現(xiàn)冗余存儲，有望催生量子領域的云存儲 —— 量子數(shù)據(jù)的多個副本可以存儲在不同位置。此外，通過將信號以加密量子比特流的形式傳輸（而非單個易受干擾的量子比特），還能提升量子通信與量子傳感的穩(wěn)定性。

更具雄心的是，兩位研究人員現(xiàn)在希望設計出在加密量子比特上進行計算的方法。Kempf 承認，在無法讀取的數(shù)據(jù)上進行計算會帶來顯著的額外開銷，但這也可能解鎖強大的新功能。“可以想象，未來量子云服務提供商不僅能為量子數(shù)據(jù)提供安全的冗余存儲，還能對量子數(shù)據(jù)進行安全的冗余計算。” 他說。