Manden, der gør Kina til en kvantesupermagt

Jian-Wei Pan, Kinas quantumfader, er i gang med sin stræben efter global lederskab inden for teknologier, der kan ændre hele industrier. Ved

• Martin Giles arkiv side

19. december 2018

Foto af Jian-Wei Pan Noah Sheldon

Den 29. september 2017 muliggjorde en kinesisk satellit kendt som Micius en uhackelig videokonference mellem Wien og Beijing, to byer med en halv verden fra hinanden. Mens den susede hen over nattehimlen med 18.000 miles (29.000 kilometer) i timen, strålede satellitten en lille datapakke ned til en jordstation i Xinglong, et par timers kørsel nordøst for Beijing. Mindre end en time senere passerede satellitten over Østrig og sendte endnu en datapakke til en station nær byen Graz.

Pakkerne var krypteringsnøgler til sikring af datatransmissioner. Det, der gjorde denne begivenhed så speciel, var, at nøglerne distribueret af satellitten blev kodet i fotoner i en delikat kvantetilstand. Ethvert forsøg på at opsnappe dem ville have kollapset denne tilstand, ødelagt informationen og signaleret tilstedeværelsen af ​​en hacker. Det betyder, at de var langt mere sikre end nøgler sendt som klassiske bits - en strøm af elektriske eller optiske impulser, der repræsenterer en s og 0 s, der kan læses og kopieres.

Denne historie var en del af vores januar 2019-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Videokrypteringen var konventionel, ikke kvante, men fordi kvantenøglerne var nødvendige for at dekryptere den, var dens sikkerhed garanteret. Dette gjorde det til verdens allerførste kvantekrypterede interkontinentale videolink.

Manden bag denne præstation er Jian-Wei Pan. En professor ved University of Science and Technology of China (USTC), nogle gange kendt som Kinas Caltech, har den 48-årige Pan produceret en række gennembrud, der har drevet ham til videnskabelig stjernestatus i landet. Hans arbejde har vundet ros fra præsident Xi Jinping, og han bliver ofte omtalt i lokale medier som kvantes fader.

Kvantekommunikation og computing er stadig begyndende, men de er blandt de teknologiske megaprojekter, som Kinas regering ønsker gennembrud på i 2030. Den ser en mulighed for at lede den gryende kvanteæra på nogenlunde samme måde, som USA dominerede fremkomsten af ​​computere og information. revolution, som det udløste.

Pan, der i 2011 blev det yngste medlem af det kinesiske videnskabsakademi nogensinde, er central i denne indsats.

I et interview med MIT Technology Review talte Pan om vigtigheden af ​​internationalt samarbejde, men han gjorde det også klart, at Kina ser et unikt vindue til, at det kan forme det næste meta-skift i teknologilandskabet. Vi var kun tilhængeren og læren ved fødslen af ​​moderne informationsvidenskab, sagde han. Nu har vi en chance for at være leder.

Pans ambitioner inkluderer en plan om at skabe en verdensomspændende konstellation af satellitter, der udgør et supersikkert kvanteinternet. Også på hans tjekliste: at hjælpe Kina med at indhente – og måske overhale – USA med at bygge kraftfulde kvantecomputere. De grundlæggende beregningsenheder i disse maskiner er qubits, som - i modsætning til bits - kan optage en kvantetilstand på en og 0 samtidigt. Ved at forbinde qubits gennem et næsten mystisk fænomen kendt som entanglement, kan kvantecomputere generere eksponentielle stigninger i processorkraft.

I fremtiden kan maskinerne bruges til at opdage nye materialer og lægemidler ved at køre simuleringer af kemiske reaktioner, der er for meget arbejde for klassiske computere. De kunne også sætte turbo på kunstig intelligens. Sikre netværk, der bruger kvantenøgledistribution (QKD) kunne overføre følsomme data for ting som finansielle transaktioner og give den største hemmeligholdelse af militære operationer og kommunikation. Forskere arbejder også på kvantesensorer, der ville lade ubåde navigere uden at være afhængige af satellitsignaler, og kvanteradar, der muligvis kan spotte stealth-fly.

Billedet af modtageren viser en spotting-laser, der bruges til at hjælpe satellitten med at forbinde til jordstationen.

Fælles indsats

På trods af den intense konkurrence mellem USA og Kina inden for kvanteteknologier, er videoopkaldet muliggjort af Micius-satellitten – opkaldt efter en gammel kinesisk videnskabsmand og filosof – i høj grad et resultat af internationalt samarbejde.

Det kom ud af et samarbejde mellem et hold ledet af Pan og et andet ledet af Anton Zeilinger, en kvantefysiker ved det østrigske videnskabsakademi. Zeilinger var Pans ph.d.-vejleder i 1990'erne, og han så potentiale i den unge kinesiske studerende. Da han kom hertil, var han hundrede procent fokuseret på teoretisk fysik, husker Zeilinger. Men jeg indså, at han kunne mere, så jeg foreslog, at han skiftede til eksperimenter, og det gjorde han med stor succes.

Faktisk så vellykket, at Zeilinger kun var alt for glad, da hans tidligere elev foreslog et samarbejde om interkontinental QKD i 2011. Pans team havde allerede udført eksperimenter over en årrække for at bevise, at et rumbaseret system kunne fungere, og det fik til sidst den kinesiske regerings grønt lys til at bygge en dedikeret satellit, som blev opsendt i 2016.

Det er svært nok at få QKD til at arbejde på jorden. At gøre det fra en satellit betød at løse et væld af ekstra problemer, lige fra at justere satellittens transmissioner præcist med jordstationerne til at minimere antallet af fotoner tabt i atmosfæren. Observatører var imponerede, siger Hoi-Kwong Lo, fysikprofessor ved University of Toronto. Han tilføjer, at der er en enorm mængde ressourcer, der afsættes til kvante i Kina, hvilket betyder, at de kan gøre ting, andre lande ikke kan.

Pan forudser en dag, hvor datacentre på forskellige kontinenter vil blive forbundet via de kvantesatellitter, han planlægger.

Kinas andre præstationer omfatter opbygningen af ​​verdens længste jordbaserede QKD-netværk. Den 2.032 kilometer lange jordforbindelse mellem Beijing og Shanghai blev også skabt af Pan og sender kvantekrypterede nøgler mellem mellemstationer og tilbyder et ultrasikkert netværk til transmission af finansielle og andre følsomme data. Nogle kinesiske byer bygger også kommunale netværk.

Det er svært at måle nøjagtigt, hvor meget Kina investerer i disse og andre kvanteprojekter, fordi finansieringen af ​​statslige programmer er uigennemsigtig. Men Pan siger, at pengene afsat til en kommende national kvanteplan for Kina vil have mindst samme størrelsesorden som Europas nyligt lancerede Quantum Technologies Flagship-projekt, et 10-årigt initiativ på 1 milliard euro (1,1 milliarder dollars).

Mens penge betyder noget, er der mere til Kinas succes end bankrolling af satellitter og andre projekter. Landet nyder også godt af en årtier lang strategi med at sende unge forskere til udlandet for at lære af eksperter som Zeilinger og derefter lokke dem hjem for at fortsætte deres arbejde.

Kina producerer masser af kvantevidenskabsartikler af høj kvalitet, og antallet af kinesiske patenter, der registreres på områder som kvantekommunikation og kvantekryptografi, er også steget kraftigt og langt overgået dem, der er registreret i USA og andre steder.

For at hjælpe med at udvikle fremtidige kvanteforskere bygger landet et nationalt laboratorium for kvanteinformationsvidenskab til $1 milliard i Hefei, der åbner i 2020; det vil samle eksperter fra en række discipliner såsom fysik, elektroteknik og materialevidenskab. Nogle af pengene vil gå til et nyt USTC-campus på samme sted til at uddanne kvanteforskere. Vi arbejder hårdt på at udvikle fremtidens arbejdsstyrke inden for kvanteteknologi, siger Pan.

Han har allerede oprettet et center for kvanteinformation og kvantefysik ved USTC. I juni 2018 annoncerede et hold i centret, at det havde sat en verdensrekord i at sammenfiltre qubits, og forbinde 18 sammen. Fremskridt som dette vil bringe os tættere på det punkt, hvor en kvantemaskine endelig vil være i stand til at overgå selv den mest kraftfulde konventionelle supercomputer til visse opgaver.

Der er også ambitiøse planer om at opskalere indsatsen i rummet. Pan siger, at Kina i løbet af de næste fire til fem år vil opsende yderligere fire kvantesatellitter med lav kredsløb, og en geostationær højkredsløb vil følge kort derefter. Den langsigtede vision er at skabe et kontinentspændende, kvantesikret internet, der kan formørke dagens version. Ser man meget længere frem, kan teknologien en dag bruges til at sikre alt fra smartphones til bærbare computere.

Jian-Wei Pan, der står foran en modtager, der bruges til transmission af ultrasikre signaler fra Micius-satellitten, har været med til at lede Kinas kvantebestræbelser.

Leder og efternøler

Så er Kina virkelig klar til at dominere den nye kvanteæra? Og hvad vil det i så fald gøre med den dominans?

Svaret på det første af disse spørgsmål er nuanceret. Mens Micius og de jordbaserede QKD-netværk giver Kina fordelen – indtil videre – inden for sikker kvantekommunikation, følger det stadig efter USA inden for kvanteberegning. Men som Pans teams succes med at indvikle qubits viser, gør det hurtige fremskridt. Store kinesiske teknologivirksomheder som Alibaba og Baidu investerer også kraftigt i kvantecomputere. Alibaba har lanceret en cloud computing-tjeneste, der lader folk eksperimentere med kvanteprocessorer, hvilket afspejler lignende indsats fra amerikanske virksomheder som IBM og Rigetti.

Isaac Chuang, en MIT-professor og pioner inden for kvanteberegning, bemærker, at en af ​​grundene til, at Kina har gjort det så godt inden for kvantevidenskab, er den tætte koordinering mellem dets statslige forskningsgrupper, det kinesiske videnskabsakademi og landets universiteter. Europa har nu sin egen kvantemasterplan for at foranledige sådanne samarbejder, men USA har været langsomme til at udarbejde en omfattende strategi for udvikling af teknologierne og opbygning af en fremtidig kvantearbejdsstyrke.

Uanset hvad der sker andre steder, vil Kina presse frem. Pan lægger vægt på kommercielle muligheder. Virksomheder bruger allerede Beijing-Shanghai-netværket til at sende information sikkert. Og han forudser en dag, hvor datacentre på forskellige kontinenter vil blive forbundet via den konstellation af kvantesatellitter, han planlægger.

Disse satellitter kunne selvfølgelig også bruges til militære formål. Elsa Kania ved Center for a New American Security, en tænketank i Washington, DC, siger, at forskellige dele af Kinas væbnede styrker finansierer forskning i kvantekommunikation, sensorer og radar. Store virksomheder som China Shipbuilding Industry Corporation, en af ​​landets største bygherrer af krigsskibe og ubåde, arbejder sammen med universiteter om kvanteprojekter. Hvis Kina mener, at teknologien kan give det en militær fordel, kan det trække sig tilbage på internationale samarbejder og holde innovationer for sig selv.

Et mere optimistisk syn ser Kina forblive åbent over for den slags udvekslinger, der har hjulpet med at gøre det til en kvantesupermagt, og gør sit yderste for at drage fordel af en ny, kvanteinspireret dataøkonomi. Forestillingen om, at Kina kunne tage føringen her, synes at inspirere dets topembedsmænd: Xi Jinping har endda talt offentligt om, at kvantevidenskab åbner op for en ny industriel revolution.

Uanset hvilket scenarie der i sidste ende udspiller sig, vil Kina i høj grad regne med kvantes fader for at styre det til succes.

Rettelse: En tidligere version af denne artikel sagde, at Anton Zeilinger er en kvantefysiker ved Universitetet i Østrig. Han er faktisk på det østrigske videnskabsakademi.

skjule