Mannen som gör Kina till en kvantsupermakt

Jian-Wei Pan, Kinas quantumfader, håller på att utveckla sin strävan efter globalt ledarskap inom teknologier som kan förändra hela industrier. Förbi

• Martin Giles arkivsida

19 december 2018

Fotografi av Jian-Wei Pan Noah Sheldon

Den 29 september 2017 möjliggjorde en kinesisk satellit känd som Micius en oupptäckt videokonferens mellan Wien och Peking, två städer med en halv värld från varandra. När den for över natthimlen i 29 000 kilometer i timmen, strålade satelliten ner ett litet datapaket till en markstation i Xinglong, ett par timmars bilresa nordost om Peking. Mindre än en timme senare passerade satelliten över Österrike och skickade ytterligare ett datapaket till en station nära staden Graz.

Paketen var krypteringsnycklar för att säkra dataöverföringar. Det som gjorde denna händelse så speciell var att nycklarna som distribuerades av satelliten kodades i fotoner i ett känsligt kvanttillstånd. Varje försök att avlyssna dem skulle ha kollapsat det tillståndet, förstört informationen och signalerat närvaron av en hackare. Detta betyder att de var mycket säkrare än nycklar som skickades som klassiska bitar – en ström av elektriska eller optiska pulser som representerar ett s och 0 s som kan läsas och kopieras.

Den här historien var en del av vårt januarinummer 2019

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Videokrypteringen var konventionell, inte kvant, men eftersom kvantnycklarna krävdes för att dekryptera den var dess säkerhet garanterad. Detta gjorde den till världens allra första kvantkrypterade interkontinentala videolänk.

Mannen bakom denna prestation är Jian-Wei Pan. En professor vid University of Science and Technology of China (USTC), ibland känd som China's Caltech, har 48-årige Pan producerat en rad genombrott som har drivit honom till vetenskaplig stjärnstatus i landet. Hans arbete har vunnit beröm från president Xi Jinping, och han kallas ofta i lokala medier som kvantumets fader.

Kvantkommunikation och datoranvändning är fortfarande begynnande, men de är bland de tekniska megaprojekt där Kinas regering vill ha genombrott till 2030. Den ser en möjlighet att leda den gryende kvanteran på ungefär samma sätt som USA dominerade tillkomsten av datoranvändning och information revolution som det utlöste.

Pan, som 2011 blev den yngsta medlemmen av den kinesiska vetenskapsakademin, är central i detta arbete.

I en intervju med MIT Technology Review pratade Pan om vikten av internationellt samarbete, men han gjorde också klart att Kina ser ett unikt fönster för att forma nästa metaskifte i tekniklandskapet. Vi var bara anhängare och lärande vid födelsen av modern informationsvetenskap, sa han. Nu har vi en chans ... att bli ledare.

Pans ambitioner inkluderar en plan för att skapa en världsomspännande konstellation av satelliter som utgör ett supersäkert kvantinternet. Också på hans checklista: att hjälpa Kina att komma ikapp – och kanske gå om – USA i att bygga kraftfulla kvantdatorer. De grundläggande beräkningsenheterna i dessa maskiner är qubits, som - till skillnad från bitar - kan uppta ett kvanttillstånd av ett och 0 samtidigt. Genom att länka qubits genom ett nästan mystiskt fenomen känt som entanglement, kan kvantdatorer generera exponentiella ökningar av processorkraft.

I framtiden skulle maskinerna kunna användas för att upptäcka nya material och läkemedel genom att köra simuleringar av kemiska reaktioner som är för mycket arbete för klassiska datorer. De kunde också ladda artificiell intelligens i turbo. Säkra nätverk som använder kvantnyckeldistribution (QKD) skulle kunna överföra känslig data för saker som finansiella transaktioner och ge största sekretess för militära operationer och kommunikationer. Forskare arbetar också med kvantsensorer som låter ubåtar navigera utan att förlita sig på satellitsignaler, och kvantradar som kanske kan upptäcka smygflygplan.

Bilden av mottagaren visar en spotting-laser som används för att hjälpa satelliten att ansluta till markstationen.

Gemensamma ansträngningar

Trots den intensiva konkurrensen mellan USA och Kina inom kvantteknik, är videosamtalet som möjliggjorts av Micius-satelliten – uppkallad efter en forntida kinesisk vetenskapsman och filosof – mycket ett resultat av internationellt samarbete.

Det kom ur ett samarbete mellan ett team ledd av Pan och ett annat ledd av Anton Zeilinger, en kvantfysiker vid Österrikiska vetenskapsakademin. Zeilinger var Pans doktorandhandledare på 1990-talet, och han såg potential i den unga kinesiska studenten. När han kom hit var han hundra procent fokuserad på teoretisk fysik, minns Zeilinger. Men jag insåg att han kunde göra mer, så jag föreslog att han skulle byta till experiment, och det gjorde han mycket framgångsrikt.

Så framgångsrikt faktiskt att Zeilinger blev bara alltför glad när hans tidigare student föreslog ett samarbete om interkontinental QKD 2011. Pans team hade redan genomfört experiment under ett antal år för att bevisa att ett rymdbaserat system kunde fungera, och det fick så småningom den kinesiska regeringens gröna ljus för att bygga en dedikerad satellit, som lanserades 2016.

Att få QKD att fungera på marken är tillräckligt svårt. Att göra det från en satellit innebar att lösa en mängd extra problem, från att justera satellitens sändningar exakt med markstationerna till att minimera antalet fotoner som går förlorade i atmosfären. Observatörer var imponerade, säger Hoi-Kwong Lo, fysikprofessor vid University of Toronto. Han tillägger, Det finns en enorm mängd resurser som ägnas åt kvant i Kina, vilket betyder att de kan göra saker som andra länder inte kan.

Pan förutser en dag då datacenter på olika kontinenter kommer att anslutas via de kvantsatelliter han planerar.

Kinas andra prestationer inkluderar att bygga världens längsta markbundna QKD-nätverk. Den 2 032 kilometer långa marklänken mellan Peking och Shanghai skapades också av Pan och skickar kvantkrypterade nycklar mellan mellanstationer och erbjuder ett ultrasäkert nätverk för överföring av finansiell och annan känslig data. Vissa kinesiska städer bygger också kommunala nätverk.

Att mäta exakt hur mycket Kina investerar i dessa och andra kvantprojekt är svårt eftersom finansieringen av statliga program är ogenomskinlig. Men Pan säger att pengarna som ägnas åt en kommande nationell kvantplan för Kina kommer att vara minst samma storleksordning som Europas nyligen lanserade Quantum Technologies Flagship-projekt, ett 10-årigt initiativ på 1 miljard euro (1,1 miljarder dollar).

Även om pengar är viktiga, finns det mer bakom Kinas framgång än bankrullning av satelliter och andra projekt. Landet drar också nytta av en decennier lång strategi att skicka unga forskare utomlands för att lära sig av experter som Zeilinger och sedan locka hem dem för att fortsätta sitt arbete.

Kina producerar massor av högkvalitativa kvantvetenskapliga papper, och antalet kinesiska patent som registreras inom områden som kvantkommunikation och kvantkryptografi har också skjutit i höjden och överträffar de som är registrerade i USA och på andra håll.

För att hjälpa till att utveckla framtida kvantforskare bygger landet ett nationellt laboratorium för kvantinformationsvetenskap på 1 miljard dollar i Hefei som kommer att öppna 2020; det kommer att samla experter från en rad discipliner som fysik, elektroteknik och materialvetenskap. En del av pengarna kommer att gå till ett nytt USTC-campus på samma plats för att utbilda kvantforskare. Vi jobbar hårt för att utveckla framtidens arbetskraft inom kvantteknik, säger Pan.

Han har redan skapat ett centrum för kvantinformation och kvantfysik vid USTC. I juni 2018 meddelade ett team på centret att de hade satt ett världsrekord för att trassla in qubits, och länkade samman 18. Framsteg som detta kommer att föra oss närmare den punkt där en kvantmaskin äntligen kommer att kunna överträffa även den mest kraftfulla konventionella superdatorn för vissa uppgifter.

Det finns också ambitiösa planer på att skala upp insatserna i rymden. Pan säger att under de kommande fyra till fem åren kommer Kina att skjuta upp ytterligare fyra kvantsatelliter med låg omloppsbana, och en geostationär hög omloppsbana kommer att följa kort därefter. Den långsiktiga visionen är att skapa ett kontinentspännande, kvantsäkrat internet som kan förmörka dagens version. Om man ser mycket längre fram, kan tekniken en dag användas för att säkra allt från smartphones till bärbara datorer.

Jian-Wei Pan, som står framför en mottagare som används för överföring av ultrasäkra signaler från Micius-satelliten, har hjälpt till att leda Kinas kvantansträngningar.

Ledare och eftersläpande

Så kommer Kina verkligen att dominera den framväxande kvanteran? Och vad kommer det att göra med den dominansen i så fall?

Svaret på den första av dessa frågor är nyanserat. Medan Micius och de markbaserade QKD-nätverken ger Kina fördelen – för nu – i säker kvantkommunikation, ligger det fortfarande efter USA när det gäller kvantberäkning. Men som Pans teams framgångar med att trassla in qubits visar, gör det snabba framsteg. Stora kinesiska teknikföretag som Alibaba och Baidu investerar också mycket i kvantdatorer. Alibaba har lanserat en molntjänst som låter människor experimentera med kvantprocessorer, vilket speglar liknande ansträngningar från amerikanska företag som IBM och Rigetti.

Isaac Chuang, en MIT-professor och pionjär inom kvantberäkning, noterar att en av anledningarna till att Kina har gjort det så bra inom kvantvetenskap är den nära samordningen mellan dess statliga forskningsgrupper, den kinesiska vetenskapsakademin och landets universitet. Europa har nu sin egen kvantmästarplan för att skapa sådana samarbeten, men USA har varit långsamma med att ta fram en heltäckande strategi för att utveckla teknikerna och bygga en framtida kvantarbetsstyrka.

Vad som än händer någon annanstans kommer Kina att gå framåt. Pan betonar kommersiella möjligheter. Företag använder redan Beijing-Shanghai-nätverket för att skicka information säkert. Och han förutser en dag då datacenter på olika kontinenter kommer att anslutas via den konstellation av kvantsatelliter han planerar.

Dessa satelliter kan naturligtvis också användas för militära ändamål. Elsa Kania vid Center for a New American Security, en tankesmedja i Washington, DC, säger att olika delar av Kinas väpnade styrkor finansierar forskning om kvantkommunikation, sensorer och radar. Stora företag som China Shipbuilding Industry Corporation, en av landets största byggare av krigsfartyg och ubåtar, arbetar med universitet i kvantprojekt. Om Kina tror att tekniken kan ge det ett militärt försprång, kan det dra tillbaka till internationella samarbeten och hålla innovationer för sig själv.

En mer optimistisk syn ser att Kina förblir öppet för de typer av utbyten som har hjälpt till att förvandla landet till en kvantsupermakt och gör sitt yttersta för att dra nytta av en ny, kvantinspirerad dataekonomi. Uppfattningen att Kina skulle kunna ta täten här verkar inspirera dess högsta tjänstemän: Xi Jinping har till och med talat offentligt om att kvantvetenskap öppnar upp en ny industriell revolution.

Vilket scenario än som slutligen utspelar sig, kommer Kina att räkna mycket med kvantumets fader för att styra det till framgång.

Rättelse: En tidigare version av den här artikeln sa att Anton Zeilinger är en kvantfysiker vid Österrikes universitet. Han är faktiskt på Österrikiska vetenskapsakademin.

Dölj