Грядет квантовая революция: как Китай и США конкурируют в данной области

Грядет квантовая революция: как Китай и США конкурируют в данной области

Более десяти лет назад китайский физик Пан Цзянь-Вэй вернулся домой из Европы, чтобы помочь стране в изучении и развитии некоторых из наиболее важных технологий XXI века. Этим летом на конференции в Шанхае Пан и его команда представили инновационный подход,  назвав его «революционным». Технология заключается в стойких ко взлому коммуникационных сетях, строящихся сегодня по всему Китаю.

Все механизмы основаны на квантовой технологии – развивающейся области, способной трансформировать обработку информации,  предоставить большие экономические преимущества и превосходство национальной безопасности странам, которые доминируют в ней. Пекин вкладывает миллиарды в исследования и разработки, предлагая китайским ученым большие льготы, чтобы заинтересовать их вернуться в страну из западных лабораторий. Это вызвало у администрации Трампа крайнюю обеспокоенность. 

«Соединенные Штаты должны быть готовы к будущему, в котором их традиционное технологическое превосходство сталкивается с новыми, возможно, беспрецедентными проблемами», – об этом говорится в недавнем докладе Центра новой американской безопасности о квантовых амбициях Китая.

Квантовая технология стремится использовать различные свойства атомов, фотонов и электронов для создания более мощных инструментов для обработки информации.

По данным исследовательской компании Patinformatics, в прошлом году в Китае было зарегистрировано почти вдвое больше заявок на патенты по сравнению с Соединенными Штатами, в основном, по квантовой технологии. Эта категория включает устройства связи и криптологии. США, тем не менее, лидируют в мире по патентам, относящимся к наиболее ценному сегменту отрасли – квантовым компьютерам, благодаря крупным инвестициям IBM, Google, Microsoft и других.

Китайскую программу возглавляет Пан, которого  СМИ Поднебесной называют «отцом кванта». В лабораториях Университета науки и технологии Китая (USTC) в Шанхае и Хэфэй под началом 49-летнего руководителя работает  130 исследователей. В 2017 году журнал Nature назвал его одним из «десяти самых известных людей года”, отметив, что он «зажег огонь под усилиями страны в области квантовых технологий».

На мероприятии в Шанхае Пан продемонстрировал слайд-презентацию анекдотов об Эйнштейне и «Звездном пути». В знак уважения к коту Шредингера – мысленному эксперименту 1930-х годов, который помог определить квантовую концепцию, называемую суперпозицией, Пан использовал изображения мультяшной кошки.

«Как мы знаем, в нашей повседневной жизни кошка может находиться либо в живом, либо в мертвом состоянии, – подчеркнул Пан. – Кошка же в квантовом мире может находиться в согласованной суперпозиции живых и мертвых состояний».

Существующие компьютеры и сети связи хранят, обрабатывают и передают информацию с помощью электрических или оптических импульсов, представляющие ноль или единицу.

Кубиты, часто являющиеся атомами, электронами или фотонами, могут существовать в виде нулей и единиц в одно и то же время, или в любом месте между ними, гибкостью, позволяющей им обрабатывать информацию новыми способами. Некоторые физики сравнивают их с вращающейся монетой, одновременно находящейся в состоянии головы и хвоста.

В своем выступлении Пан подробно рассказал о том, как Китай использует кубиты для защиты своих сообщений от взлома – одной из областей, в которых Китай, похоже, опережает Запад.

Пан и его команда стремятся запустить спутники и общенациональную волоконно-оптическую сеть, использующую кубиты для безопасной передачи информации. Уже работает волоконно-оптический канал длиной почти 1300 миль, соединяющий Пекин, Шанхай и другие города. Запущен спутник «Китай», который провел несколько выдающихся экспериментов, в том числе способствовал созданию устойчивой к взлому видеоконференции между Пекином и Веной.

По словам некоторых западных ученых, когда сеть будет готова, это может осложнить усилия США по прослушиванию правительственных или военных сообщений Китая.

«Я предсказываю, что через два-три года Китай станет непроницаемым – мы ничего не сможем прочитать», – сказал Джонатан Доулинг, профессор физики в Университете штата Луизиана.

Другие утверждают, что даже если китайское сетевое оборудование станет более безопасным, его все равно удасться взломать, манипулируя людьми, управляющими системой.

Если технология получит распространение в глобальном масштабе, Китай может оказаться в сильной позиции по ее продажам, учитывая большое количество патентов, которые его университеты и компании зарегистрировали для устройств и технологий, связанных с квантовой связью и шифрованием.

Пан приписывает Эдварду Сноудену мотивацию активизации квантовых исследований в Китае. В интервью он отметил, что откровения бывшего подрядчика Агентства национальной безопасности о прослушивании АНБ заставили Китай вкладывать деньги в развитие более безопасных коммуникаций.

Барри Сандерс, канадский физик из Университета Калгари, проводит два-три месяца в году в качестве приглашенного профессора в лабораториях USTC в Шанхае. Он получил работу в рамках китайской программы «Тысяча талантов», которая нанимает западных ученых для обучения и исследовательской работы и предлагает стимулы, чтобы убедить китайских исследователей вернуться домой из-за рубежа.

Сандерс отметил, что культурные различия Китая могут обеспечить преимущества в лаборатории:

«У меня есть западный подход – свобода мысли, риск.  В Китае все больше внимания уделяется общему благу. Один парень провел два года, сосредоточившись на подготовке лаборатории. Людям надо определить задачу и они будут выполнять то, что необходимо. Здесь их поддерживают и высоко ценят».

Пан получил докторскую степень в Венском университете в 1999 году и проводил дальнейшие исследования в Гейдельбергском университете, а затем переехал домой вместе с несколькими китайскими коллегами.

В то время работа Китая над квантовыми технологиями была «относительно отсталой» и нуждалась в посторонней помощи.

 «Поэтому наша команда взяла на себя инициативу направить студентов в ведущие исследовательские группы за рубежом для изучения смежных технологий. К счастью, они позже вернулись к работе в Китае», – подчеркнул Пан.

Большинство китайских исследователей, выступавших на Шанхайской конференции, годами учились за границей. Их кандидатские или докторские дипломы  были защищены в университете Стэнфорда, Массачусетском технологическом институте, Кембридже и Университете Торонто.

По словам ученых, большая часть технологий, которые они используют, будет иметь четкое применение как в коммерческой, так и в военной сфере.

Квантовые компьютеры могут когда-нибудь взломать все существующие формы шифрования. Квантовые датчики  помогут китайским военным отслеживать и нацеливать войска противника с большей точностью. 

Согласно сообщениям китайских СМИ, цитируемым в Центре для новых американцев, USTC, Университет США, в котором работает Пан, заключил в последние годы несколько соглашений о партнерстве в области квантовых исследований с государственными оборонными компаниями, целью которых является повышение боеспособности военных кораблей. 

Ученые, которые обсуждали это направление науки с представителями правительства США, отмечают, что администрация Трампа недавно выразила обеспокоенность по поводу количества китайских студентов, проходящих обучение в Соединенных Штатах в таких чувствительных областях, как квантовая наука.

“Мы всегда поощряли лучших и умных приезжать из-за рубежа, и это всегда служило нашей стране, – сказал Джон Прескилл, профессор теоретической физики Ричарда П. Фейнмана в Калифорнийском технологическом институте, который консультировал правительство по вопросам квантовой механики. – Однако правительство обеспокоено тем, что мы обучаем тех людей, многие из которых возвращаются в Китай и конкурируют в технологиях, значимых для национальной безопасности. Многие из нас в академических кругах понимают, что есть проблемы, но все же склонны и впредь поощрять китайских студентов приезжать. При этом, в правительстве продолжаются дискуссии о том, какова лучшая политика для этого”.

В  обзоре, опубликованном в этом месяце, две университетские ассоциации США отметили, что их члены укрепляют протоколы безопасности и устанавливают более тесные отношения с ФБР и спецслужбами, услышав «растущую обеспокоенность» федерального правительства по поводу «иностранного вмешательства» в университетские исследования. Они также высоко оценили вклад китайских студентов и преподавателей, подчеркнув, что Соединенные Штаты должны и впредь приветствовать их.

Пан сказал, что верит, что сотрудничество принесет только выгоды квантовой науке.

“Академический обмен приносит пользу обеим странам, – отметил он. – Я не вижу причин, по которым правительство Соединенных Штатов должно быть обеспокоено и препятствовать нормальной академической деятельности. Напомним, что квантовая механика была сначала разработана в Европе, а затем получила развитие в Соединенных Штатах”.

Определенные круги правительства США ограничивают сотрудничество с Китаем. В июне Министерство энергетики, одно из основных учреждений, финансирующих исследования в области физики и квантовой науки, запретило своим сотрудникам и подрядчикам реагировать на программы по набору талантов в некоторых зарубежных странах, включая «Тысячу талантов» Китая. Агентство заявило, что хочет ограничить «несанкционированную передачу научно-технической информации».

Запрет последовал за обвинением бывшего ученого из Национальной лаборатории Министерства энергетики Лос-Аламоса в ложных заявлениях о его причастности к «Тысяче талантов».

Отчасти мотивированный прогрессом Китая, Конгресс в конце прошлого года принял Закон о Национальной квантовой инициативе, который санкционировал дополнительные 1,2 млрд. долларов США на финансирование исследований в течение пяти лет. Департамент энергетики готов получить большую часть этих денег, которые планирует использовать для создания нескольких квантово-ориентированных исследовательских центров.

Китай пока отстает от американской индустрии технологий, пожалуй, в самой важной гонке в этой области: создании квантового компьютера. Полностью функционирующий квантовый компьютер может быть преобразующим. Экспоненциально большая вычислительная мощность может помочь выявить новые химические соединения для лечения трудноизлечимых заболеваний и устранить препятствия на пути движения путем прогнозирования и управления потоком транспортных средств.

Однако возможность того, что машины могут в конечном счете взломать все существующие формы шифрования, является серьезной проблемой для военных, правительств и предприятий, которые обрабатывают конфиденциальные данные.

Большинство ученых согласны с тем, что для получения полностью работающего компьютера понадобиться, возможно, еще не одно десятилетие, для чего исследователи должны заставить большое количество кубитов эффективно работать вместе. Это трудно, потому что кубиты привередливы и имеют склонность прекращать функционировать при малейшем нарушении, таком как незначительное изменение температуры.

Google и IBM находятся на переднем крае, используя сверхпроводящие схемы для манипулирования кубитами. В прошлом году Google представила квантовый процессор с 72 кубитами, превосходящий ранее анонсированный компьютер IBM.

Китайские исследователи сообщали о 12-кубитном процессоре, использующим сверхпроводящую технологию, подобную технологиям Google и IBM.

Профессор USTC Чжу Сяобо представил результаты работы своей команды на конференции в Шанхае, высветив на экране изображение их прототипа.

«Сейчас мы работаем над 24 кубитами.  Надеемся, что в следующем году доберемся до 50, и, возможно, когда-нибудь  перейдем к квантовому превосходству», – подчеркнул Чжу Сяобо, имея в виду момент, когда квантовый компьютер может выполнять вычисления, которые существующие компьютеры не могут.

Ученые утверждают, что этот ориентир, хотя и ожидаемый, знаменует лишь начало прогресса в этой области.

Оставьте свой комментарий