211service.com
Žmogus, paverčiantis Kiniją kvantine supervalstybe
Jian-Wei Pan, Kinijos kvantų tėvas, vadovauja savo siekiui tapti pasauline lydere technologijų, galinčių pakeisti ištisas pramonės šakas, srityje. 2018 m. gruodžio 19 d
Jian-Wei Pan nuotrauka Nojus Šeldonas
2017 m. rugsėjo 29 d. Kinijos palydovas, žinomas kaip Micius, leido surengti neįveikiamą vaizdo konferenciją tarp Vienos ir Pekino, dviejų miestų, skiriančių pusę pasaulio. Naktinį dangų skraidydamas 18 000 mylių (29 000 kilometrų) per valandą greičiu, palydovas nusiuntė nedidelį duomenų paketą į antžeminę stotį Ksinglonge, už poros valandų kelio automobiliu į šiaurės rytus nuo Pekino. Mažiau nei po valandos palydovas praskriejo virš Austrijos ir išsiuntė kitą duomenų paketą į stotį netoli Graco miesto.
Paketai buvo šifravimo raktai, skirti apsaugoti duomenų perdavimą. Šis įvykis buvo toks ypatingas, kad palydovo platinami raktai buvo užkoduoti fotonuose subtilioje kvantinėje būsenoje. Bet koks bandymas juos perimti būtų žlugęs šią būseną, sunaikindamas informaciją ir pranešdamas apie įsilaužėlio buvimą. Tai reiškia, kad jie buvo daug saugesni nei klavišai, siunčiami kaip klasikiniai bitai – elektrinių ar optinių impulsų srautas, atspindintis vienas smėlis 0 s, kurias galima perskaityti ir kopijuoti.
Ši istorija buvo mūsų 2019 m. sausio mėn. numerio dalis
- Žr. likusią numerio dalį
- Prenumeruoti
Vaizdo įrašo šifravimas buvo įprastas, o ne kvantinis, bet kadangi jam iššifruoti buvo reikalingi kvantiniai raktai, jo saugumas buvo garantuotas. Dėl to jis tapo pirmąja pasaulyje kvantiniu būdu užšifruotu tarpžemyniniu vaizdo ryšiu.
Žmogus už šio laimėjimo yra Jian-Wei Pan. Kinijos mokslo ir technologijų universiteto (USTC), kartais žinomo kaip Kinijos Caltech, profesorius 48 metų Panas padarė daugybę laimėjimų, paskatinusių jį tapti mokslo žvaigžde šalyje. Jo darbas sulaukė prezidento Xi Jinpingo pagyrimų, o vietinėje žiniasklaidoje jis dažnai vadinamas kvantų tėvu.
Kvantinės komunikacijos ir kompiuterija vis dar tik gimsta, tačiau jie yra vieni iš technologinių megaprojektų, kuriuose Kinijos vyriausybė nori pasiekti proveržių iki 2030 m. Ji mato galimybę vadovauti auštančiajai kvantinei erai panašiai, kaip JAV dominavo kompiuterijos ir informacijos atsiradimas. sukelta revoliucija.
Panas, kuris 2011 m. tapo jauniausiu visų laikų Kinijos mokslų akademijos nariu, yra pagrindinis šių pastangų tikslas.
Interviu su MIT Technology Review Panas kalbėjo apie tarptautinio bendradarbiavimo svarbą, tačiau taip pat aiškiai pasakė, kad Kinija mato unikalų langą, leidžiantį formuoti kitą meta poslinkį technologijų srityje. Gimstant šiuolaikiniam informacijos mokslui, mes buvome tik pasekėjai ir besimokantys asmenys, sakė jis. Dabar mes turime galimybę… būti lyderiais.
Pano ambicijos apima planą sukurti visą pasaulį apimantį palydovų, kurie sudarytų itin saugų kvantinį internetą, žvaigždyną. Taip pat jo kontrolinis sąrašas: padėti Kinijai pasivyti ir galbūt aplenkti JAV kuriant galingus kvantinius kompiuterius. Pagrindiniai skaičiavimo vienetai šiose mašinose yra kubitai, kurie, skirtingai nei bitai, gali užimti kvantinę būseną vienas ir 0 tuo pačiu metu. Sujungdami kubitus per beveik mistišką reiškinį, žinomą kaip įsipainiojimas, kvantiniai kompiuteriai gali generuoti eksponentinį apdorojimo galios padidėjimą.
Ateityje mašinos galėtų būti naudojamos naujoms medžiagoms ir vaistams atrasti, imituojant chemines reakcijas, kurios yra per daug darbo klasikiniams kompiuteriams. Jie taip pat galėtų patobulinti dirbtinį intelektą. Saugūs tinklai, naudojantys kvantinį raktų paskirstymą (QKD), gali perduoti slaptus duomenis, pvz., finansines operacijas, ir užtikrinti didžiausią karinių operacijų ir ryšių slaptumą. Tyrėjai taip pat dirba su kvantiniais jutikliais, kurie leistų povandeniniams laivams naršyti nepasikliaujant palydoviniais signalais, ir kvantiniais radarais, kurie gali aptikti slaptus orlaivius.
Imtuvo paveikslėlyje pavaizduotas aptikimo lazeris, naudojamas padėti palydovui prisijungti prie antžeminės stoties.
Bendros pastangos
Nepaisant intensyvios JAV ir Kinijos konkurencijos kvantinių technologijų srityje, vaizdo skambutis, kurį įgalino palydovas Micius, pavadintas senovės Kinijos mokslininko ir filosofo vardu, yra tarptautinio bendradarbiavimo rezultatas.
Jis atsirado bendradarbiaujant komandai, kuriai vadovauja Pan ir kita, kuriai vadovavo Austrijos mokslų akademijos kvantinis fizikas Antonas Zeilingeris. Dešimtajame dešimtmetyje Zeilingeris buvo Pano doktorantūros vadovas ir įžvelgė jauno Kinijos studento potencialą. Atvykęs čia, jis šimtu procentų buvo susikoncentravęs į teorinę fiziką, – prisimena Zeilingeris. Tačiau supratau, kad jis gali daugiau, todėl pasiūliau jam pereiti prie eksperimentų, ir jis tai padarė labai sėkmingai.
Tiesą sakant, taip sėkmingai, kad Zeilingeris buvo labai laimingas, kai jo buvęs mokinys 2011 m. pasiūlė bendradarbiauti kuriant tarpžemyninį QKD. Pano komanda jau keletą metų atliko eksperimentus, siekdama įrodyti, kad kosmoso sistema gali veikti, ir galiausiai ji gavo Kinijos vyriausybė liepė sukurti tam skirtą palydovą, kuris buvo paleistas 2016 m.
Pakankamai sunku priversti QKD dirbti ant žemės. Tai darant iš palydovo, reikėjo išspręsti daugybę papildomų problemų, pradedant tiksliai suderinti palydovo transliacijas su antžeminėmis stotimis ir sumažinti atmosferoje prarandamų fotonų skaičių. Stebėtojai buvo sužavėti, sako Hoi-Kwong Lo, fizikos profesorius iš Toronto universiteto. Jis priduria: Kinijoje kvantams skiriama daug išteklių, o tai reiškia, kad jie gali padaryti tai, ko negali kitos šalys.
Panas numato dieną, kai duomenų centrai skirtinguose žemynuose bus sujungti per jo planuojamus kvantinius palydovus.
Kiti Kinijos pasiekimai apima ilgiausio pasaulyje antžeminio QKD tinklo sukūrimą. 2 032 kilometrų (1 263 mylių) antžeminę jungtį tarp Pekino ir Šanchajaus taip pat sukūrė Pan ir ji siunčia kvantiniu būdu užšifruotus raktus tarp kelių stočių, siūlydama itin saugų tinklą finansiniams ir kitiems jautriems duomenims perduoti. Kai kurie Kinijos miestai taip pat stato savivaldybių tinklus.
Sunku tiksliai įvertinti, kiek Kinija investuoja į šiuos ir kitus kvantinius projektus, nes vyriausybės programų finansavimas yra neskaidrus. Tačiau Panas teigia, kad būsimam Kinijos nacionaliniam kvantiniam planui skirti pinigai bus bent tokio paties dydžio, kaip ir neseniai Europos pradėtas pavyzdinis Quantum Technologies projektas, 10 metų trunkantis 1 mlrd. eurų (1,1 mlrd. USD) iniciatyva.
Nors pinigai yra svarbūs, Kinijos sėkmė yra ne tik palydovų ir kitų projektų bankrotas. Šaliai taip pat naudinga dešimtmečius trunkanti strategija, kai jaunieji mokslininkai siunčiami į užsienį mokytis iš tokių ekspertų kaip Zeilingeris, o paskui vilioja juos namo tęsti savo darbą.
Kinija gamina daug aukštos kokybės kvantinio mokslo straipsnių, o Kinijos patentų, registruotų tokiose srityse kaip kvantinės komunikacijos ir kvantinė kriptografija, skaičius taip pat labai išaugo ir gerokai lenkia tuos, kurie registruoti JAV ir kitur.
Siekdama padėti vystytis būsimiems kvantiniams tyrinėtojams, šalis Hefėjuje stato 1 milijardo dolerių vertės nacionalinę kvantinės informacijos mokslų laboratoriją, kuri bus atidaryta 2020 m.; jis suburs įvairių disciplinų, tokių kaip fizika, elektros inžinerija ir medžiagų mokslas, ekspertus. Dalis pinigų bus skirta naujam USTC miesteliui toje pačioje vietoje, kad būtų mokomi kvantiniai tyrinėtojai. Mes sunkiai dirbame, kad sukurtume ateities darbo jėgą kvantinių technologijų srityje, sako Pan.
Jis jau sukūrė USTC kvantinės informacijos ir kvantinės fizikos centrą. 2018 m. birželio mėn. centro komanda paskelbė, kad pasiekė pasaulio rekordą kubitų įsipainiojimui, sujungusiu 18. Tokia pažanga priartins mus prie taško, kai kvantinė mašina pagaliau galės aplenkti net galingiausią įprastą superkompiuterį, atlikdama tam tikras užduotis.
Taip pat yra ambicingų planų padidinti pastangas kosmose. Panas teigia, kad per ateinančius ketverius ar penkerius metus Kinija paleis dar keturis žemos orbitos kvantinius palydovus, o netrukus po to pasirodys ir aukštos orbitos geostacionarus. Ilgalaikė vizija – sukurti žemyną apimantį, kvantiniu būdu apsaugotą internetą, kuris galėtų užtemdyti šiandieninę versiją. Žvelgiant į daug tolimesnę ateitį, šią technologiją vieną dieną būtų galima panaudoti norint apsaugoti viską nuo išmaniųjų telefonų iki nešiojamųjų kompiuterių.
Jian-Wei Pan, stovintis prieš imtuvą, naudojamą itin saugiems signalams iš palydovo Micius perduoti, padėjo vadovauti Kinijos kvantinėms pastangoms.
Lyderis ir atsilikėjas
Taigi ar Kinija tikrai dominuos besiformuojančioje kvantinėje eroje? Ir ką tai padarys su tuo dominavimu, jei taip?
Atsakymas į pirmąjį iš šių klausimų yra niuansuotas. Nors Micius ir antžeminiai QKD tinklai suteikia Kinijai pranašumą – kol kas – saugaus kvantinio ryšio srityje, kvantinio skaičiavimo srityje ji vis tiek atsilieka nuo JAV. Tačiau, kaip rodo Pano komandos sėkmė su įpainiojančiais kubitais, ji sparčiai progresuoja. Didžiosios Kinijos technologijų įmonės, tokios kaip Alibaba ir Baidu, taip pat daug investuoja į kvantinį skaičiavimą. „Alibaba“ pristatė debesų kompiuterijos paslaugą, kuri leidžia žmonėms eksperimentuoti su kvantiniais procesoriais, atspindinčias panašias JAV įmonių, tokių kaip IBM ir Rigetti, pastangas.
Isaacas Chuangas, MIT profesorius ir kvantinio skaičiavimo pradininkas, pažymi, kad viena iš priežasčių, kodėl Kinijai taip gerai sekėsi kvantinio mokslo srityje, yra glaudus jos vyriausybės tyrimų grupių, Kinijos mokslų akademijos ir šalies universitetų koordinavimas. Europa dabar turi savo kvantinį bendrąjį planą, kuris paskatintų tokį bendradarbiavimą, tačiau JAV lėtai parengė išsamią technologijų plėtros ir ateities kvantinės darbo jėgos kūrimo strategiją.
Kad ir kas benutiktų kitur, Kinija veržis į priekį. Panas pabrėžia komercines galimybes. Įmonės jau naudoja Pekino ir Šanchajaus tinklą, kad saugiai pristatytų informaciją. Ir jis numato dieną, kai duomenų centrai skirtinguose žemynuose bus sujungti per jo planuojamą kvantinių palydovų žvaigždyną.
Tie palydovai, žinoma, galėtų būti naudojami ir kariniams tikslams. Elsa Kania iš Naujojo Amerikos saugumo centro Vašingtone, DC, teigia, kad įvairios Kinijos ginkluotųjų pajėgų dalys finansuoja kvantinių ryšių, jutiklių ir radarų tyrimus. Didelės įmonės, tokios kaip Kinijos laivų statybos pramonės korporacija, viena didžiausių šalies karo laivų ir povandeninių laivų statytojų, bendradarbiauja su universitetais įgyvendindami kvantinius projektus. Jei Kinija mano, kad ši technologija gali suteikti jai karinio pranašumo, ji gali susitraukti į tarptautinį bendradarbiavimą ir pasilikti naujoves.
Optimistiškesnis požiūris rodo, kad Kinija išlieka atvira tam tikriems mainams, padėjusiems ją paversti kvantine supervalstybe, ir daro viską, kad gautų naudos iš naujos, kvantinės duomenų ekonomikos. Panašu, kad mintis, kad Kinija gali užimti lyderio poziciją, įkvepia jos aukščiausius pareigūnus: Xi Jinpingas net viešai kalbėjo apie kvantinį mokslą, atveriantį naują pramonės revoliuciją.
Kad ir kuris scenarijus galiausiai išsipildytų, Kinija labai pasitikės kvantų tėvu, kad paskatintų jį į sėkmę.
Pataisymas: Ankstesnėje šio straipsnio versijoje buvo rašoma, kad Antonas Zeilingeris yra Austrijos universiteto kvantinis fizikas. Iš tikrųjų jis yra Austrijos mokslų akademijoje.