211service.com
Człowiek zmieniający Chiny w supermocarstwo kwantowe
Jian-Wei Pan, chiński ojciec kwantowy, kieruje dążeniem do światowego przywództwa w technologiach, które mogą zmienić całe branże. 19 grudnia 2018 r.
Zdjęcie Jian-Wei Pan Noe Sheldon
29 września 2017 r. chiński satelita znany jako Micius umożliwił niemożliwą do zhakowania wideokonferencję między Wiedniem a Pekinem, dwoma miastami oddalonymi od siebie o pół świata. Gdy leciał po nocnym niebie z prędkością 18 000 mil (29 000 kilometrów) na godzinę, satelita przesłał mały pakiet danych do stacji naziemnej w Xinglong, kilka godzin jazdy na północny wschód od Pekinu. Niecałą godzinę później satelita przeleciał nad Austrią i wysłał kolejny pakiet danych do stacji w pobliżu miasta Graz.
Pakiety były kluczami szyfrującymi do zabezpieczania transmisji danych. To, co uczyniło to wydarzenie tak wyjątkowym, to fakt, że klucze rozprowadzane przez satelitę zostały zakodowane w fotonach w delikatnym stanie kwantowym. Każda próba przechwycenia ich załamałaby ten stan, niszcząc informacje i sygnalizując obecność hakera. Oznacza to, że były znacznie bezpieczniejsze niż klucze wysyłane jako klasyczne bity — strumień impulsów elektrycznych lub optycznych reprezentujących: jeden s i 0 s, które można czytać i kopiować.
Ta historia była częścią naszego wydania ze stycznia 2019
- Zobacz resztę numeru
- Subskrybuj
Szyfrowanie wideo było konwencjonalne, a nie kwantowe, ale ponieważ klucze kwantowe były wymagane do jego odszyfrowania, jego bezpieczeństwo było gwarantowane. To sprawiło, że jest to pierwsze na świecie szyfrowane kwantowo międzykontynentalne łącze wideo.
Człowiekiem stojącym za tym osiągnięciem jest Jian-Wei Pan. Profesor na Uniwersytecie Nauki i Technologii w Chinach (USTC), czasami znany jako chiński Caltech, 48-letni Pan, dokonał szeregu przełomów, które pchnęły go do naukowej sławy w kraju. Jego praca zdobyła uznanie prezydenta Xi Jinpinga, a lokalne media często określają go mianem ojca kwantu.
Komunikacja i informatyka kwantowa wciąż się rodzą, ale należą do megaprojektów technologicznych, w których rząd Chin chce przełomu do 2030 r. Widzą szansę na poprowadzenie nadchodzącej ery kwantowej w podobny sposób, w jaki Stany Zjednoczone zdominowały nadejście informatyki i informacji rewolucja, którą wywołał.
Pan, który w 2011 roku został najmłodszym w historii członkiem Chińskiej Akademii Nauk, jest w centrum tych wysiłków.
W wywiadzie dla MIT Technology Review Pan mówił o znaczeniu współpracy międzynarodowej, ale dał również jasno do zrozumienia, że Chiny widzą wyjątkowe okno, w którym mogą kształtować kolejną meta-zmianę w krajobrazie technologicznym. Powiedział, że byliśmy tylko zwolennikami i uczniami w momencie narodzin nowoczesnej informatyki. Teraz mamy szansę… być liderem.
Ambicje Pan obejmują plan stworzenia obejmującej cały świat konstelacji satelitów, które stanowią superbezpieczny internet kwantowy. Również na jego liście kontrolnej: pomaganie Chinom dogonić – a być może wyprzedzić – Stany Zjednoczone w budowie potężnych komputerów kwantowych. Podstawowymi jednostkami obliczeniowymi w tych maszynach są kubity, które — w przeciwieństwie do bitów — mogą zajmować stan kwantowy jeden oraz 0 równocześnie. Łącząc kubity za pomocą niemal mistycznego zjawiska znanego jako splątanie, komputery kwantowe mogą generować wykładniczy wzrost mocy obliczeniowej.
W przyszłości maszyny mogą służyć do odkrywania nowych materiałów i leków poprzez przeprowadzanie symulacji reakcji chemicznych, które są zbyt pracochłonne dla klasycznych komputerów. Mogli też turbodoładować sztuczną inteligencję. Bezpieczne sieci wykorzystujące dystrybucję klucza kwantowego (QKD) mogą przesyłać wrażliwe dane dotyczące np. transakcji finansowych i zapewniać najwyższą tajność operacji wojskowych i komunikacji. Naukowcy pracują również nad czujnikami kwantowymi, które pozwoliłyby okrętom podwodnym nawigować bez polegania na sygnałach satelitarnych, oraz nad radarem kwantowym, który może wykrywać samoloty stealth.
Zdjęcie odbiornika przedstawia laser punktowy używany do pomocy satelity w połączeniu ze stacją naziemną.
Wspólny wysiłek
Pomimo intensywnej rywalizacji między Stanami Zjednoczonymi a Chinami w zakresie technologii kwantowych, wideorozmowa możliwa dzięki satelicie Micius – noszącemu imię starożytnego chińskiego naukowca i filozofa – jest w dużej mierze wynikiem współpracy międzynarodowej.
Powstał w wyniku współpracy między zespołem kierowanym przez Pana i innym kierowanym przez Antona Zeilingera, fizyka kwantowego z Austriackiej Akademii Nauk. Zeilinger był promotorem doktoratu Pana w latach 90. i widział potencjał w młodym chińskim studencie. Kiedy tu przyjechał, był w stu procentach skoncentrowany na fizyce teoretycznej, wspomina Zeilinger. Ale zdałem sobie sprawę, że może zrobić więcej, więc zasugerowałem, aby przeszedł na eksperymenty i zrobił to z dużym sukcesem.
Tak skutecznie, że Zeilinger był aż tak szczęśliwy, gdy jego były uczeń zaproponował współpracę nad międzykontynentalnym QKD w 2011 roku. Zespół Pana prowadził już przez wiele lat eksperymenty, aby udowodnić, że system kosmiczny może działać, i ostatecznie udało się to osiągnąć. zielone światło chińskiego rządu na budowę dedykowanego satelity, który został wystrzelony w 2016 roku.
Wystarczająco ciężko jest sprawić, by QKD pracował w terenie. Zrobienie tego z satelity oznaczało rozwiązanie wielu dodatkowych problemów, od precyzyjnego zestrojenia transmisji satelity ze stacjami naziemnymi po zminimalizowanie liczby fotonów traconych w atmosferze. Obserwatorzy byli pod wrażeniem, mówi Hoi-Kwong Lo, profesor fizyki na Uniwersytecie w Toronto. Dodaje, że w Chinach poświęca się ogromną ilość zasobów kwantowych, co oznacza, że mogą robić rzeczy, których inne kraje nie mogą.
Pan przewiduje dzień, w którym centra danych na różnych kontynentach będą połączone za pośrednictwem planowanych przez niego satelitów kwantowych.
Inne osiągnięcia Chin obejmują budowę najdłuższej na świecie naziemnej sieci QKD. Połączenie naziemne o długości 2032 km (1263 mil) między Pekinem a Szanghajem było również nadzorowane przez Pan i wysyła zaszyfrowane kwantowo klucze między stacjami przesiadkowymi, oferując ultra bezpieczną sieć do przesyłania danych finansowych i innych poufnych danych. Niektóre chińskie miasta również budują sieci miejskie.
Dokładne określenie, ile Chiny inwestują w te i inne projekty kwantowe, jest trudne, ponieważ finansowanie programów rządowych jest nieprzejrzyste. Ale Pan mówi, że pieniądze przeznaczone na nadchodzący krajowy plan kwantowy dla Chin będą co najmniej tego samego rzędu wielkości, co niedawno uruchomiony europejski projekt flagowy Quantum Technologies, 10-letnia inicjatywa o wartości 1 miliarda euro (1,1 miliarda dolarów).
Chociaż pieniądze mają znaczenie, sukces Chin to coś więcej niż finansowanie satelitów i innych projektów. Kraj czerpie również korzyści z wieloletniej strategii wysyłania młodych badaczy za granicę, aby uczyli się od ekspertów takich jak Zeilinger, a następnie zachęcania ich do kontynuowania pracy.
Chiny produkują wiele wysokiej jakości artykułów z dziedziny nauk kwantowych, a liczba chińskich patentów zarejestrowanych w dziedzinach takich jak komunikacja kwantowa i kryptografia kwantowa również wzrosła, znacznie przewyższając liczbę zarejestrowanych w Stanach Zjednoczonych i innych krajach.
Aby pomóc w rozwoju przyszłych badaczy kwantowych, kraj buduje w Hefei Narodowe Laboratorium Informatyki Kwantowej o wartości 1 miliarda dolarów, które zostanie otwarte w 2020 r.; zgromadzi ekspertów z różnych dyscyplin, takich jak fizyka, elektrotechnika i materiałoznawstwo. Część pieniędzy zostanie przeznaczona na nowy kampus USTC w tym samym miejscu, aby szkolić badaczy kwantowych. Ciężko pracujemy, aby rozwijać siłę roboczą przyszłości w technologii kwantowej, mówi Pan.
Stworzył już centrum informacji kwantowej i fizyki kwantowej w USTC. W czerwcu 2018 r. zespół w centrum ogłosił, że ustanowił rekord świata w splątaniu kubitów, łącząc 18 razem. Takie postępy zbliżą nas do punktu, w którym maszyna kwantowa będzie w stanie prześcignąć nawet najpotężniejszy konwencjonalny superkomputer w niektórych zadaniach.
Istnieją również ambitne plany zwiększenia wysiłków w kosmosie. Pan mówi, że w ciągu najbliższych czterech do pięciu lat Chiny wystrzelą cztery kolejne satelity kwantowe na niskiej orbicie, a wkrótce potem pojawi się satelita geostacjonarny na wysokiej orbicie. Długoterminową wizją jest stworzenie obejmującego cały kontynent, zabezpieczonego kwantowo Internetu, który mógłby przyćmić dzisiejszą wersję. Spoglądając znacznie dalej w przyszłość, technologia ta może pewnego dnia zostać wykorzystana do zabezpieczenia wszystkiego, od smartfonów po laptopy.
Jian-Wei Pan, stojący przed odbiornikiem używanym do transmisji ultrabezpiecznych sygnałów z satelity Micius, pomógł poprowadzić kwantowe wysiłki Chin.
Lider i laggard
Czy więc Chiny naprawdę zdominują nadchodzącą erę kwantową? A jeśli tak, to co to zrobi z tą dominacją?
Odpowiedź na pierwsze z tych pytań jest zniuansowana. Podczas gdy Micius i naziemne sieci QKD dają Chinom przewagę — na razie — w bezpiecznej komunikacji kwantowej, nadal wyprzedzają Stany Zjednoczone w dziedzinie obliczeń kwantowych. Jednak, jak pokazuje sukces zespołu Pana z plątaniną kubitów, robi szybkie postępy. Duże chińskie firmy technologiczne, takie jak Alibaba i Baidu, również intensywnie inwestują w obliczenia kwantowe. Alibaba uruchomiła usługę przetwarzania w chmurze, która pozwala ludziom eksperymentować na procesorach kwantowych, odzwierciedlając podobne wysiłki amerykańskich firm, takich jak IBM i Rigetti.
Isaac Chuang, profesor MIT i pionier obliczeń kwantowych, zauważa, że jednym z powodów, dla których Chiny radzą sobie tak dobrze w nauce kwantowej, jest ścisła koordynacja między rządowymi grupami badawczymi, Chińską Akademią Nauk i krajowymi uniwersytetami. Europa ma teraz swój własny główny plan kwantowy, aby zachęcić do takiej współpracy, ale Stany Zjednoczone powoli opracowują kompleksową strategię rozwoju technologii i budowania przyszłej siły roboczej kwantowej.
Cokolwiek wydarzy się gdzie indziej, Chiny będą dążyć do przodu. Pan podkreśla możliwości komercyjne. Firmy już korzystają z sieci Pekin-Szanghaj do bezpiecznego przesyłania informacji. Przewiduje dzień, w którym centra danych na różnych kontynentach zostaną połączone za pośrednictwem konstelacji satelitów kwantowych, które planuje.
Oczywiście satelity te mogłyby być również wykorzystywane do celów wojskowych. Elsa Kania z think tanku Center for a New American Security w Waszyngtonie mówi, że różne części chińskich sił zbrojnych finansują badania nad komunikacją kwantową, czujnikami i radarem. Duże firmy, takie jak China Shipbuilding Industry Corporation, jeden z największych w kraju konstruktorów okrętów wojennych i okrętów podwodnych, współpracują z uniwersytetami nad projektami kwantowymi. Jeśli Chiny uznają, że technologia może dać im przewagę militarną, mogą wycofać się z międzynarodowej współpracy i zachować innowacje dla siebie.
Bardziej optymistyczny pogląd pokazuje, że Chiny pozostają otwarte na tego rodzaju wymiany, które pomogły przekształcić je w supermocarstwo kwantowe, i robią wszystko, aby czerpać korzyści z nowej, inspirowanej kwantami gospodarki danych. Myśl, że Chiny mogą przejąć tu przewodnictwo, wydaje się inspirować najwyższych urzędników: Xi Jinping mówił nawet publicznie o naukach kwantowych otwierających nową rewolucję przemysłową.
Niezależnie od tego, który scenariusz się ostatecznie rozegra, Chiny będą mocno liczyć na ojca kwantowego, który pokieruje ich do sukcesu.
Poprawka: Wcześniejsza wersja tego artykułu mówiła, że Anton Zeilinger jest fizykiem kwantowym na Uniwersytecie Austriackim. W rzeczywistości jest w Austriackiej Akademii Nauk.