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量子力学的诸多奇特特性中，未知量子态无法被复制这一点，给量子计算与量子通信领域带来了巨大挑战。如今，研究人员已证明，通过在克隆量子比特时对其进行加密，就能突破这一限制。这一发现有望解锁全新的强大功能，包括量子领域的云存储等效方案。

量子技术的强大之处，很大程度上源于量子比特（量子领域中与经典比特对应的基本单元）的特性：在被测量前，量子比特可处于多种可能状态的叠加态。这使得量子系统能够同时表征和处理多种可能性，而经典比特始终只能是 0 或 1 两种状态之一。然而，对量子比特的测量会导致其叠加态坍缩为单一确定状态。这就使得复制量子比特变得不可能 —— 因为要复制它，就必须先对其进行测量，而这会不可避免地干扰被复制的量子态。

这一根本性障碍被称为 “无克隆定理”，它给量子技术带来了机遇，也带来了挑战。量子通信系统之所以具备极高的安全性，正是得益于这一定理 —— 任何试图拦截量子信号的人，若不改变信号的量子态，就无法读取信息，这使得信息被篡改的痕迹一目了然。

但与此同时，它也意味着量子比特无法被复制或备份，这让量子技术无法沿用经典计算与通信中的一些基础技术。例如，云服务提供商通常会为客户的数据创建多个副本，并存储在不同位置以实现冗余备份；数字通信系统则通过发送多条信息副本来防范数据传输错误。不过，如今有两位研究人员发现了一种看似简单的规避方案。

“在经典计算中，复制粘贴和备份操作随时随地都在进行，而在量子计算领域，我们似乎只能放弃这种操作。” 加拿大滑铁卢大学应用数学教授 Achim Kempf 表示，“但我们发现，量子比特其实可以被完美克隆，不过有一个前提条件：在克隆的同时，必须对其进行加密。”

一次偶然的发现

Kempf 透露，这一发现源于一次偶然 —— 当时他的合作者、日本九州大学助理教授 Koji Yamaguchi 正在他的实验室担任博士后研究员。两人当时正在研究无线量子通信的可行性，以及所有电磁场固有的随机量子涨落对该技术的影响。在研究过程中，他们发现，向量子比特中添加噪声，本质上相当于对其进行加密：在通过减去噪声解密之前，量子比特的状态无法被测量。

量子比特加密与克隆示意图  加密克隆开创了一种新范式，可在无克隆定理禁止直接复制的前提下，实现量子信息的冗余存储、并行处理或扩展。例如，加密克隆的一个潜在应用是实现加密量子多云存储。

他们还发现，有可能创建多个加密后的量子比特副本 —— 因为在其中一个副本被解密前，量子态始终处于隐藏状态。肯普夫介绍，这一方案的原理与经典的 “一次性密码本” 类似：通过一种特殊的算术运算，将信息与一串随机数字构成的密钥相结合，从而实现加密；接收方需使用相同的密钥逆转该运算，才能解密信息。该方案的详细内容已发表在近期的《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。

但关键在于，这种新型量子加密方案中的密钥只能使用一次。Kempf 解释，这意味着只能解密其中一个副本 —— 这一点对于确保该方案不违反无克隆定理至关重要，因为它保证了你永远无法同时观测到多个克隆体的量子态。“量子信息永远只能有一个清晰的副本，这是自然规律所决定的。” Kempf 说。

该量子加密方案的工作流程如下：首先生成成对的带噪声纠缠量子比特，将其分为两部分 —— 用于创建克隆体的信号量子比特，以及记录信号量子比特噪声信息（本质上相当于方案中的 “加密密钥”）的噪声量子比特；随后，通过量子电路让待复制的量子比特与信号量子比特发生相互作用，使待复制量子比特的量子态烙印在带噪声的信号量子比特上。

要读取其中一个 “加密” 信号量子比特的状态，首先需要从中减去噪声。这一步通过另一个量子电路实现：让其中一个信号量子比特与所有噪声量子比特相互作用，抵消噪声，从而读取从原始量子比特复制而来的量子信息。而这一相互作用也会改变噪声量子比特的状态，这就是密钥只能使用一次的原因。

Koji Yamaguchi 表示，此前已有研究人员尝试绕开无克隆定理，但其他量子克隆协议只能生成近似副本，且生成的副本越多，质量就越差。相比之下，这种新方案至少在理论上可以生成无限多个完美副本。

实际应用潜力

纽约城市大学物理学教授 Mark Hillery 是量子信息领域的专家。他质疑这种方案是否真的属于 “克隆”—— 因为最终只有一个量子比特与初始量子比特处于相同状态，并没有产生额外的有效副本。不过，他认为该协议可能在量子通信领域具有实用价值。“量子隐形传态可以将量子信息从一个量子比特转移到另一个量子比特，但这种新协议增加了几个新颖的元素：首先，量子信息可以最终存在于多个不同的量子比特中的任意一个；其次，与隐形传态不同，它不需要经典通信或纠错操作。这是一项非常出色的研究成果。”

研究人员已在真实设备上测试了该方案。在与 IBM 同事合作开展的一项未发表研究中，他们在 IBM 的 Heron 处理器上验证了这种新型加密方案，成功生成了大量加密克隆体。Kempf 表示，实验表明，该方案对可能影响量子操作的硬件缺陷并不十分敏感。更重要的是，他们证明了克隆体不仅能复制原始量子态，还能与原始量子比特原本纠缠的其他量子比特保持纠缠关系。“实验结果非常理想，超出了我们的预期。” Kempf 说，“加密克隆协议不仅可行，而且效果很好。”

研究人员表示，这一方案意味着量子信息系统现在可以实现冗余存储，有望催生量子领域的云存储 —— 量子数据的多个副本可以存储在不同位置。此外，通过将信号以加密量子比特流的形式传输（而非单个易受干扰的量子比特），还能提升量子通信与量子传感的稳定性。

更具雄心的是，两位研究人员现在希望设计出在加密量子比特上进行计算的方法。Kempf 承认，在无法读取的数据上进行计算会带来显著的额外开销，但这也可能解锁强大的新功能。“可以想象，未来量子云服务提供商不仅能为量子数据提供安全的冗余存储，还能对量子数据进行安全的冗余计算。” 他说。

关键词： 量子技术 量子通信 加密克隆