È possibile copiare i qubit: dei ricercatori scoprono come fare il backup dei dati quantistici

Un nuovo studio pubblicato dall'Università di Waterloo, in Canada, afferma che è possibile clonare di fatto i qubit, ma solo se sono cifrati. Nonostante varie limitazioni alla tecnica, si tratta di un risultato estremamente importante, perché apre le porte ad applicazioni che erano prima considerate impossibili da realizzare con i computer quantistici.

I qubit si possono clonare, se sono cifrati

L'informatica classica si basa in larga parte sulla possibilità di copiare il valore di un bit: le CPU copiano i dati dalla memoria ai registri, ad esempio, e li copiano di nuovo dai registri alla memoria una volta effettuate le operazioni. Più banalmente, leggete questo articolo perché l'autore ha potuto copiare il testo dall'editor sul suo computer al sito di Edge9.

L'operazione di copia, che appare così semplice e scontata, non è però possibile in campo quantistico. Si parla di "teorema della non-clonazione quantistica", che stabilisce che non sia possibile creare una copia identica di uno stato quantistico non noto. Il problema è che lo stato quantistico di un qubit non è mai noto fino a che non lo si misura, e a quel punto collassa, corrompendo così l'informazione contenuta nel qubit.

Effettuare dunque una copia identica di un qubit, così da averne un secondo che è un gemello perfetto del primo, non è semplicemente possibile. Ciò significa che non si può, ad esempio, creare una copia dello stato di un computer quantistico a metà di un calcolo per ripetere solo la seconda metà in caso di errori.

La nuova ricerca di Koji Yamaguchi e Achim Kempf, pubblicata su arXiv, prova però che è possibile creare delle copie di qubit cifrati, in modo tale che si crei una chiave che può essere usata una volta sola per decifrare una di queste copie. In questo modo, il teorema di non-clonazione rimane valido, perché le copie che restano non possono essere decifrate.

Il metodo impiega una schiera di qubit "di segnale" (S) e una seconda di qubit "di rumore" (N) che vengono messi in entanglement con un qubit A. Facendo interagire fra di loro A e i qubit S con un apposito operatore, si copia il contenuto di A nei qubit S, con però anche il rumore (di cui i qubit N tengono traccia) che funge da cifratura. Dal momento che l'operatore non include anche i qubit N nella copia, questi non contengono alcuna informazione su A, ma tengono traccia del rumore nel sistema. È proprio usando il valore dei qubit N, ovvero il rumore, che è possibile rimuovere l'effetto di tale rumore dai qubit S e riottenere A. Così facendo si perde però l'informazione quantistica contenuta nei qubit N, e si distrugge così la chiave di cifratura, facendo sì che esista solo una copia.

Per fare un paragone con il mondo classico, è un po' come una cifratura con una chiave a uso unico (OTP, One Time Pad): si crea una chiave crittografica lunga quanto il testo da cifrare e che può essere usata una volta sola. Per fare un altro esempio molto banalizzato, è come scrivere una password su diversi foglietti di carta e dividerli poi in un gruppo: solo rimettendoli insieme si riotterrà la password, ma dopo averla usata sarà necessario cambiarla perché tutti la conoscono.

Cosa vuol dire per l'informatica quantistica

Questa elegante soluzione al problema della non-clonazione quantistica potrà essere utile, secondo gli autori, per costruire sistemi di archiviazione quantistica in cloud, un po' come delle sorte di Nextcloud o Dropbox quantistici. La sicurezza di tali soluzioni sarebbe totale, perché solo il proprietario dei dati avrebbe la chiave di cifratura e nessun altro potrebbe decifrare i dati senza che le restanti copie vengano rese illeggibili.

Ovviamente un tale scenario è ancora estremamente lontano dalla realtà. Si tratta, in ogni caso, del superamento teorico di uno degli ostacoli più importanti all'archiviazione e conservazione di dati quantistici. Ci si attende che questo risultato abbia un impatto significativo sui campi delle reti quantistiche, della crittografia quantistica, del calcolo distribuito e anche dell'astrofisica (con la possibilità o meno di recuperare informazioni dai buchi neri, ad esempio).

Quello che questa ricerca fa è rendere possibili applicazioni che erano impossibili secondo l'impianto teorico della fisica quantistica. In altri termini, è un altro tassello del puzzle per rendere il calcolo quantistico più utile nel mondo reale, una volta che ricercatori e aziende avranno superato il problema del rumore che affligge i calcolatori quantistici attuali.