uredi› krajšaj› T:142 M:318 Z: [×]

Oče kvanta

Pan Jianwei Kitajsko spreminja v kvantno velesilo in utira pot v tehnologijah, ki bi lahko preobrazile celotne industrijske panoge in spremenile vojaške taktike.

Martin Giles, MIT Technology Review

Kitajski satelit z imenom Micius je 29. septembra 2017 omogočil popolnoma varno videokonferenco med Dunajem in Pekingom, torej na povsem različnih koncih sveta. Ko je švigal čez nočno nebo s hitrostjo 29.000 kilometrov na uro, je zemeljski postaji v Šinglongu, dve uri vožnje severovzhodno od Pekinga, oddal majhen sveženj podatkov, manj kot uro pozneje je satelit prečkal Avstrijo in postaji blizu Gradca oddal drugi podatkovni sveženj.

Svežnja sta vključevala šifrirni ključ za zavarovanje prenosa podatkov. Ta dogodek je bil tako poseben zato, ker sta bila ključa, ki ju je dostavil satelit, kodirana v fotonih v občutljivem kvantnem stanju. Med poskusom, da bi ju prestregli, bi se to stanje porušilo in uničilo podatke, hkrati pa oznanilo prisotnost hekerja. To pomeni, da sta bila ključa daleč varnejša od tistih, ki so posredovani kot klasični biti – tok električnih ali optičnih impulzov, ki predstavljajo 1 in 0 ter jih je mogoče prebrati in kopirati.

Video šifriranje je bilo klasično, ne kvantno, a ker je bilo treba za dešifriranje posnetkov imeti kvantni ključ, je bila varnost zagotovljena. Zato to konferenco štejemo za čisto prvo kvantno šifrirano medcelinsko video povezavo na svetu.

Človek, ki je zaslužen za ta dosežek, je Pan Jianwei, predavatelj na kitajski univerzi za znanost in tehnologijo, ki ji nekateri pravijo tudi kitajski Caltech. Pan je oče tudi nekaterih drugih prelomnih dosežkov, zaradi katerih je postal znanstveni zvezdnik Kitajske. Za svoje delo je dobil priznanja kitajskega predsednika Ši Džinpinga in v kitajskih časnikih ga pogosto imenujejo kar oče kvanta.

Kvantne komunikacije in računalništvo so še v povojih, vendar sodijo med tehnološke megaprojekte, pri katerih kitajska vlada zahteva prelomna odkritja še pred letom 2030. Zanjo pomenijo priložnost, da se postavi na čelo bližajoče se kvantne dobe, podobno kot so Združene države Amerike prevzele pobudo v računalniški in informacijski revoluciji.

Pan, ki je 2011 pri 40 letih postal najmlajši član kitajske znanstvene akademije, je ključni strokovnjak v tem projektu.

V intervjuju za revijo MIT Technology Review je govoril o pomenu mednarodnega sodelovanja, a je hkrati poudaril, da Kitajska vidi enkratno priložnost zase za prevzem pobude pri naslednjem velikem prelomu na tehnološkem področju. »Sicer smo samo sledilci in učenci med porajanjem sodobne informacijske znanosti, tu pa vidimo priložnost, da postanemo pobudniki,« je povedal.

Med Panovimi ambicijami je tudi načrt za mrežo satelitov, ki bi obdajala ves svet in omogočala super varni kvantni internet. Na seznamu je tudi pomoč Kitajski, da dohiti in morda celi prehiti ZDA pri razvijanju zmogljivih kvantnih računalnikov. Osnovna enota računalništva v teh napravah so kubiti, ki v nasprotju z biti lahko zasedejo kvantno stanje 1 in 0 hkrati. Kvantni računalniki s povezovanjem kubitov s skoraj mističnim pojavom, imenovanim kvantna prepletenost, lahko dosežejo eksponentno povečevanje procesne moči.

V prihodnosti bi naprave lahko uporabljali za odkrivanje novih materialov in zdravil, tako da bi na njih simulirali kemične reakcije, s katerimi imajo klasični računalniki preveč dela. Prav tako bi lahko poskrbeli za turbo zagon umetne inteligence. Varne mreže s porazdelitvijo s kvantnim ključem bi lahko prenašale občutljive podatke, na primer o finančnih transakcijah, in zagotavljale visoko stopnjo tajnosti za vojaške komunikacije in operacije. Znanstveniki razvijajo tudi kvantne senzorje, s katerimi bi podmornice lahko navigirale neodvisno od satelitskega signala, in kvantni radar, ki bi zaznal tudi letala, nevidna za klasični radar.

Skupna prizadevanja

Kljub močni kitajski konkurenci v kvantni tehnologiji je video klic, ki ga je omogočil satelit Micius, imenovan po starem kitajskem znanstveniku in filozofu, nedvomno sad mednarodnega sodelovanja.

Nastal je s sodelovanjem ekipe pod Panovim vodstvom in druge ekipe, na čelu katere je bil Anton Zeilinger, kvantni fizik na dunajski univerzi. Zeilinger je bil v 90. letih Panov mentor na doktorskem študiju in v mladem kitajskem študentu je videl velik potencial. »Ko je prišel sem, je bil stoodstotno osredotočen na teoretično fiziko,« se spominja Zeilinger. »A opazil sem, da bi lahko dosegel več, zato sem mu predlagal, naj presedla na poskuse, in pri tem je bil zelo uspešen.«

Celo tako zelo, da je bil Zeilinger navdušen, ko je njegov nekdanji študent leta 2011 predlagal sodelovanje pri medcelinski distribuciji kvantnih ključev. Panova ekipa je takrat že nekaj let opravljala poskuse in poskušala dokazati, da bi sistem lahko deloval iz vesolja, nato pa je dobila zeleno luč kitajske vlade, da sestavi ustrezen satelit, ki so ga izstrelili leta 2016.

Dovolj težko je doseči že, da distribucija kvantnih ključev deluje na Zemlji. Postopek prek satelita pa je pomenil, da je najprej treba rešiti vrsto dodatnih težav, od natančne uskladitve satelitskega prenosa z zemeljskimi postajami do omejitve števila fotonov, ki se izgubijo v ozračju. Opazovalci so bili navdušeni, je povedal Lo Hoikwong, predavatelj fizike na torontski univerzi. Dodal je: »Na Kitajskem kvantni tehnologiji namenjajo veliko virov, kar pomeni, da lahko dosežejo marsikaj, česar drugje ne morejo.«

Med drugimi kitajskimi dosežki je tudi gradnja najdaljšega zemeljskega omrežja za distribucijo kvantnih ključev. Zemeljska povezava med Pekingom in Šanghajem, dolga 2.032 kilometrov, je prav tako zgrajena po Panovih načrtih. Po njej pošiljajo kvantno šifrirane ključe med postajami, s čimer nudijo ultra varno mrežo za prenos finančnih in drugih občutljivih podatkov. V nekaterih kitajskih mestih gradijo takšne občinske mreže.

Težko je oceniti, koliko kitajska vlaga v kvantne projekte, ker je financiranje vladnih programov nepregledno. Pan pravi, da bodo v državni kvantni načrt za Kitajsko vložili vsaj toliko, kot je Evropa namenila za projekt Quantum Technologies Flagship Project, milijardo evrov vredno pobudo.

Denar je resda pomemben, vendar pri kitajskem uspehu ne gre le za financiranje satelitov in drugih projektov. Država žanje koristi tudi od več desetletij dolge strategije pošiljanja mladih znanstvenikov v tujino, da se učijo od strokovnjakov, kot je Zeilinger, in jih nato privabijo nazaj domov, kjer nadaljujejo svoje delo.

Na Kitajskem nastane veliko zelo kakovostnih znanstvenih razprav o kvantih in število kitajskih patentov, ki jih registrirajo na področjih, kot sta kvantna komunikacija in kvantna kriptografija, je poskočilo ter prepričljivo preseglo število registracij v ZDA in drugih državah.

Država za izobraževanje prihodnjih kvantnih raziskovalcev gradi milijardo dolarjev vreden državni laboratorij za kvantne informacijske znanosti v Hefeiu; odprli ga bodo prihodnje leto, v njem pa bodo delali strokovnjaki z različnih področij, od fizike in elektronike do vede o materialih. Nekaj tega denarja bodo porabili za nov univerzitetni kampus, ki bo v soseščini, v njem pa bodo usposabljali kvantne znanstvenike. »Garamo, da bi izobrazili delovno silo prihodnosti za kvantno tehnologijo,« je pojasnil Pan.

Pan je na kitajski univerzi za znanost in tehnologijo že ustanovil središče za kvantno informacijsko tehnologijo in kvantno fiziko. Junija lani je ekipa iz tega središča objavila, da je postavila svetovni rekord pri prepletanju kubitov, saj jih je povezala kar 18. Takšni dosežki nas bodo približali točki, na kateri bodo kvantne naprave pri nekaterih nalogah končno le premagale celo najmočnejše konvencionalne superračunalnike.

Obstajajo tudi velikopotezni načrti za zahtevnejše naloge v vesolju. Pan pravi, da bo Kitajska v naslednjih štirih do petih letih v nizko orbito izstrelila še štiri kvantne satelite, kmalu zatem pa v visoko orbito tudi geostacionarnega. Po dolgoročnem načrtu naj bi ustvarili kvantno zavarovan internet, ki bi bil prepreden po vsej celini in bi lahko zasenčil sedanjo različico. Še dlje v prihodnosti pa bi tehnologijo nekega dne morda lahko uporabili za zagotavljanje varnosti tudi pametnih telefonov in prenosnih računalnikov.

Voditeljica in zasledovalka

Bo Kitajska torej res prevzela pobudo v prihajajoči kvantni dobi? In kako bo izkoristila svojo prevlado?

Odgovor na prvo vprašanje je nekje vmes. Čeprav je Kitajska – za zdaj – pri varnih kvantnih komunikacijah v prednosti zaradi satelita Micius in zemeljskih mrež za distribucijo kvantnih ključev, še vedno zaostaja za ZDA, ko gre za kvantno računalništvo. A kot kaže uspeh Panove ekipe pri prepletanju kubitov, hitro napreduje. Tudi velike kitajske tehnološke družbe, kot sta Alibaba in Baidu, radodarno vlagajo v kvantno računalništvo. Alibaba je ponudila storitev v oblaku, ki ljudem omogoča eksperimentirati na kvantnih procesorjih, s čimer je sledila zgledu ameriških družb, na primer IBM in Rigetti.

Isaac Chuang, predavatelj na massachusetskem tehnološkem inštitutu in pionir kvantnega računalništva, je opozoril, da je med odgovori, zakaj je Kitajska tako uspešna v kvantni znanosti, tesno sodelovanje med vladnimi raziskovalnimi skupinami, kitajsko akademijo znanosti in univerzami v državi. Evropa ima zdaj lastni veliki kvantni načrt, s katerim naj bi spodbudila takšno sodelovanje, ZDA pa so pri sestavljanju strategije za razvoj tehnologij in usposabljanje prihodnje kvantne delovne sile precej počasne.

Ne glede na dogajanje drugje bo Kitajska silila v ospredje. Pan poudarja komercialne priložnosti. Podjetja že uporabljajo mrežo med Pekingom in Šanghajem za varno pošiljanje podatkov. Po njegovem mnenju ni več daleč dan, ko bodo podatkovna središča na različnih celinah povezana prek mrež kvantnih satelitov, ki jih načrtuje.

Te satelite bi bilo seveda mogoče uporabljati tudi za vojaške namene. Elsa Kania v središču za novo ameriško varnost, to je možganski trust v Washingtonu, je pojasnila, da različni segmenti kitajskih oboroženih sil financirajo raziskave o kvantnih komunikacijah, senzorjih in radarjih. Velike družbe, kot je China Shipbuilding Industry Corporation, ena največjih ladjedelnic za vojaške ladje in podmornice v državi, pri kvantnih projektih sodeluje z univerzami. Če bo Kitajska ugotovila, da bi s to tehnologijo lahko dosegla vojaško prednost, se utegne umakniti iz mednarodnega sodelovanja in inovacije zadržati zase.

Po bolj optimističnih napovedih pa bo Kitajska še naprej odprta za izmenjave, ob pomoči katerih je postala kvantna velesila, in bo naredila vse, da bi dobičkonosno izkoristila novo podatkovno gospodarsko panogo na temelju kvantov. Predstava, da bi Kitajska lahko prišla na čelo tega področja, očitno navdihuje tudi najvišje državnike: Ši Džinping je celo javno omenil, da bi kvantna znanost lahko sprožila novo industrijsko revolucijo.

Ne glede na to, kateri scenarij se bo uresničil, bo Kitajska računala na svojega očeta kvantov, da jo bo popeljal do uspeha.

Copyright Technology Review, distribucija Tribune Content Agency.