211service.com
De man die van China een kwantumsupermacht maakt
Jian-Wei Pan, China's vader van kwantum, is het brein achter zijn streven naar wereldwijd leiderschap in technologieën die hele industrieën kunnen veranderen. 19 december 2018
Foto van Jian-Wei Pan Noah Sheldon
Op 29 september 2017 maakte een Chinese satelliet, bekend als Micius, een onhackbare videoconferentie mogelijk tussen Wenen en Peking, twee steden die een halve wereld van elkaar verwijderd zijn. Terwijl hij met 29.000 kilometer per uur door de nachtelijke hemel vloog, straalde de satelliet een klein datapakket naar een grondstation in Xinglong, een paar uur rijden ten noordoosten van Peking. Minder dan een uur later passeerde de satelliet Oostenrijk en stuurde een ander datapakket naar een station in de buurt van de stad Graz.
De pakketten waren coderingssleutels voor het beveiligen van gegevensoverdrachten. Wat deze gebeurtenis zo bijzonder maakte, was dat de sleutels die door de satelliet werden verspreid, gecodeerd waren in fotonen in een delicate kwantumtoestand. Elke poging om ze te onderscheppen zou die staat hebben doen instorten, de informatie vernietigen en de aanwezigheid van een hacker aangeven. Dit betekent dat ze veel veiliger waren dan sleutels die als klassieke bits werden verzonden - een stroom van elektrische of optische pulsen die een s en 0 s die kunnen worden gelezen en gekopieerd.
Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van januari 2019
- Zie de rest van het nummer
- Abonneren
De videocodering was conventioneel, geen kwantum, maar omdat de kwantumsleutels nodig waren om het te decoderen, was de veiligheid ervan gegarandeerd. Dit maakte het 's werelds allereerste kwantum-gecodeerde intercontinentale videoverbinding.
De man achter deze prestatie is Jian-Wei Pan. Een professor aan de University of Science and Technology of China (USTC), ook wel bekend als China's Caltech, heeft de 48-jarige Pan een reeks doorbraken opgeleverd die hem naar het wetenschappelijke sterrendom in het land hebben gedreven. Zijn werk werd geprezen door president Xi Jinping en hij wordt in de lokale media vaak de vader van het kwantum genoemd.
Kwantumcommunicatie en computergebruik staan nog in de kinderschoenen, maar ze behoren tot de technologische megaprojecten waarmee de Chinese regering tegen 2030 doorbraken wil. Ze ziet een kans om het aanbrekende kwantumtijdperk te leiden op vrijwel dezelfde manier waarop de VS de opkomst van computers en de informatievoorziening domineerden. revolutie die het veroorzaakte.
Pan, die in 2011 het jongste lid ooit werd van de Chinese Academie van Wetenschappen, staat hierbij centraal.
In een interview met MIT Technology Review sprak Pan over het belang van internationale samenwerking, maar hij maakte ook duidelijk dat China een uniek venster ziet om de volgende metaverschuiving in het technologielandschap vorm te geven. We waren slechts de volgeling en de leerling bij de geboorte van de moderne informatiewetenschap, zei hij. Nu hebben we een kans... om een leider te zijn.
Pan's ambities omvatten een plan om een wereldomspannende constellatie van satellieten te creëren die een superveilig kwantuminternet vormen. Ook op zijn checklist: China helpen de VS in te halen - en misschien in te halen - bij het bouwen van krachtige kwantumcomputers. De fundamentele rekeneenheden in deze machines zijn qubits, die - in tegenstelling tot bits - een kwantumtoestand van kunnen innemen een en 0 tegelijkertijd. Door qubits te koppelen via een bijna mystiek fenomeen dat bekend staat als verstrengeling, kunnen kwantumcomputers een exponentiële toename van de verwerkingskracht genereren.
In de toekomst kunnen de machines worden gebruikt om nieuwe materialen en medicijnen te ontdekken door simulaties uit te voeren van chemische reacties die te veel werk zijn voor klassieke computers. Ze kunnen ook kunstmatige intelligentie een boost geven. Beveiligde netwerken die gebruikmaken van kwantumsleuteldistributie (QKD) kunnen gevoelige gegevens verzenden voor zaken als financiële transacties en bieden uiterste geheimhouding voor militaire operaties en communicatie. Onderzoekers werken ook aan kwantumsensoren die onderzeeërs zouden laten navigeren zonder afhankelijk te zijn van satellietsignalen, en kwantumradar die stealth-vliegtuigen zou kunnen spotten.
De afbeelding van de ontvanger toont een spotting laser die wordt gebruikt om de satelliet te helpen verbinding te maken met het grondstation.
gezamenlijke inspanningen
Ondanks de intense concurrentie tussen de VS en China op het gebied van kwantumtechnologieën, is het videogesprek mogelijk gemaakt door de Micius-satelliet - genoemd naar een oude Chinese wetenschapper en filosoof - in hoge mate het resultaat van internationale samenwerking.
Het kwam voort uit een samenwerking tussen een team onder leiding van Pan en een ander team onder leiding van Anton Zeilinger, een kwantumfysicus aan de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen. Zeilinger was in de jaren negentig de promotor van Pan en hij zag potentie in de jonge Chinese student. Toen hij hier kwam, was hij honderd procent gefocust op theoretische natuurkunde, herinnert Zeilinger zich. Maar ik realiseerde me dat hij meer kon doen, dus ik stelde voor om over te schakelen op experimenten, en dat deed hij met veel succes.
Zo succesvol zelfs dat Zeilinger maar al te blij was toen zijn voormalige student in 2011 een samenwerking voorstelde voor intercontinentale QKD. Pan's team had al een aantal jaren experimenten uitgevoerd om te bewijzen dat een ruimtegebaseerd systeem zou kunnen werken, en het werd uiteindelijk groen licht van de Chinese regering om een speciale satelliet te bouwen, die in 2016 werd gelanceerd.
QKD op de grond laten werken is al moeilijk genoeg. Door het vanaf een satelliet te doen, moesten een groot aantal extra problemen worden opgelost, van het nauwkeurig afstemmen van de satellietuitzendingen op de grondstations tot het minimaliseren van het aantal fotonen dat verloren gaat in de atmosfeer. Waarnemers waren onder de indruk, zegt Hoi-Kwong Lo, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Toronto. Hij voegt eraan toe: er wordt enorm veel geld besteed aan kwantum in China, wat betekent dat ze dingen kunnen doen die andere landen niet kunnen.
Pan voorziet een dag waarop datacenters op verschillende continenten zullen worden verbonden via de kwantumsatellieten die hij plant.
Andere prestaties van China zijn onder meer het bouwen van 's werelds langste terrestrische QKD-netwerk. De 2032 kilometer lange grondverbinding tussen Peking en Shanghai werd ook bedacht door Pan en stuurt kwantumgecodeerde sleutels tussen tussenstations, wat een ultraveilig netwerk biedt voor het verzenden van financiële en andere gevoelige gegevens. Sommige Chinese steden bouwen ook gemeentelijke netwerken.
Het is moeilijk om precies te meten hoeveel China in deze en andere kwantumprojecten investeert, omdat de financiering van overheidsprogramma's ondoorzichtig is. Maar Pan zegt dat het geld dat wordt besteed aan een aankomend nationaal kwantumplan voor China minstens van dezelfde orde van grootte zal zijn als het onlangs gelanceerde Quantum Technologies Flagship-project van Europa, een 10-jarig initiatief van € 1 miljard ($ 1,1 miljard).
Hoewel geld ertoe doet, is het succes van China meer dan het financieren van satellieten en andere projecten. Het land profiteert ook van een decennialange strategie om jonge onderzoekers naar het buitenland te sturen om te leren van experts als Zeilinger en hen vervolgens naar huis te lokken om hun werk voort te zetten.
China produceert tal van hoogwaardige kwantumwetenschappelijke papers, en het aantal Chinese patenten dat wordt geregistreerd op gebieden als kwantumcommunicatie en kwantumcryptografie is ook enorm gestegen, veel groter dan het aantal dat in de VS en elders is geregistreerd.
Om toekomstige kwantumonderzoekers te helpen ontwikkelen, bouwt het land een nationaal laboratorium voor kwantuminformatiewetenschappen van $ 1 miljard in Hefei dat in 2020 zal worden geopend; het zal experts uit verschillende disciplines samenbrengen, zoals natuurkunde, elektrotechniek en materiaalkunde. Een deel van het geld gaat naar een nieuwe USTC-campus op dezelfde locatie om kwantumonderzoekers op te leiden. We werken er hard aan om de arbeidskrachten van de toekomst in de kwantumtechnologie te ontwikkelen, zegt Pan.
Hij heeft al een centrum voor kwantuminformatie en kwantumfysica opgericht bij USTC. In juni 2018 kondigde een team in het centrum aan dat het een wereldrecord had gevestigd voor het verstrengelen van qubits, door 18 aan elkaar te koppelen. Vooruitgang als deze zal ons dichter bij het punt brengen waarop een kwantummachine eindelijk in staat zal zijn om zelfs de krachtigste conventionele supercomputer voor bepaalde taken te overtreffen.
Er zijn ook ambitieuze plannen om de inspanningen in de ruimte op te schalen. Pan zegt dat China de komende vier tot vijf jaar nog vier kwantumsatellieten met een lage baan zal lanceren, en kort daarna zal een geostationaire in een hoge baan om de aarde volgen. De langetermijnvisie is om een continentomspannend, kwantumbeveiligd internet te creëren dat de huidige versie zou kunnen overschaduwen. Veel verder vooruitkijkend, zou de technologie ooit kunnen worden gebruikt om alles te beveiligen, van smartphones tot laptops.
Jian-Wei Pan, die voor een ontvanger staat die wordt gebruikt voor de transmissie van ultraveilige signalen van de Micius-satelliet, heeft geholpen de Chinese kwantuminspanningen te leiden.
Leider en achterblijver
Dus is China echt klaar om het opkomende kwantumtijdperk te domineren? En wat zal het met die dominantie doen als dat zo is?
Het antwoord op de eerste van die vragen is genuanceerd. Hoewel Micius en de QKD-netwerken op de grond China de voorsprong geven - voorlopig - op het gebied van veilige kwantumcommunicatie, loopt het nog steeds achter op de VS op het gebied van kwantumcomputing. Echter, zoals het succes van Pan's team met verstrikkende qubits laat zien, boekt het snelle vooruitgang. Grote Chinese technologiebedrijven zoals Alibaba en Baidu investeren ook fors in quantum computing. Alibaba heeft een cloud computing-service gelanceerd waarmee mensen kunnen experimenteren met kwantumprocessors, vergelijkbaar met soortgelijke inspanningen van Amerikaanse bedrijven zoals IBM en Rigetti.
Isaac Chuang, een MIT-professor en pionier op het gebied van kwantumcomputing, merkt op dat een van de redenen waarom China het zo goed heeft gedaan in de kwantumwetenschap, de nauwe coördinatie is tussen zijn onderzoeksgroepen van de overheid, de Chinese Academie van Wetenschappen en de universiteiten van het land. Europa heeft nu zijn eigen kwantummasterplan om dergelijke samenwerkingen aan te moedigen, maar de VS zijn traag met het produceren van een alomvattende strategie voor het ontwikkelen van de technologieën en het opbouwen van een toekomstig kwantumpersoneelsbestand.
Wat er ook elders gebeurt, China zal doorzetten. Pan legt de nadruk op commerciële kansen. Bedrijven maken al gebruik van het Beijing-Shanghai-netwerk om informatie veilig te verzenden. En hij voorziet een dag waarop datacenters op verschillende continenten met elkaar zullen worden verbonden via de constellatie van kwantumsatellieten die hij plant.
Die satellieten kunnen natuurlijk ook voor militaire doeleinden worden gebruikt. Elsa Kania van het Center for a New American Security, een denktank in Washington, DC, zegt dat verschillende delen van de Chinese strijdkrachten onderzoek financieren naar kwantumcommunicatie, sensoren en radar. Grote bedrijven zoals China Shipbuilding Industry Corporation, een van de grootste bouwers van oorlogsschepen en onderzeeërs in het land, werken samen met universiteiten aan kwantumprojecten. Als China denkt dat de technologie het een militair voordeel kan geven, kan het terugtrekken op internationale samenwerkingen en innovaties voor zichzelf houden.
Een optimistischer beeld houdt in dat China open blijft staan voor het soort uitwisselingen die het hebben helpen veranderen in een kwantumsupermacht, en zijn uiterste best doet om te profiteren van een nieuwe, op kwantum geïnspireerde data-economie. Het idee dat China hier de leiding zou kunnen nemen, lijkt zijn topfunctionarissen te inspireren: Xi Jinping heeft zelfs in het openbaar gesproken over kwantumwetenschap die een nieuwe industriële revolutie opent.
Welk scenario zich uiteindelijk ook afspeelt, China zal zwaar rekenen op de vader van het kwantum om het naar succes te sturen.
Correctie: in een eerdere versie van dit artikel stond dat Anton Zeilinger een kwantumfysicus is aan de Universiteit van Oostenrijk. Hij zit namelijk aan de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen.