Przegląd rozwoju inżynierii kwantowej w Chinach – telekomunikacja kwantowa, komputery kwantowe

Yue Bilin 09-11-2020

0 1 570

Co to takiego inżynieria kwantowa? Otóż według Wikipedii jest to „zespół nauk i technologii zajmujących się zagadnieniami najogólniej rozumianych technik wykorzystujących zjawiska kwantowe, które obecnie mogą zaważyć na kształcie naszej cywilizacji”.

Czy Chiny w ogóle rozwijają inżynierię kwantową? Sądząc po alarmistycznych artykułach publikowanych na przykład w The Washington Post – jak najbardziej. W raportach Amerykańskiego Departamentu Obrony i Amerykańskiej Senackiej Komisji ds. Ekonomii i Bezpieczeństwa Chin rozwój inżynierii kwantowej w Państwie Środka uważa się wprost – co stałych czytelników naszego portalu zaskoczyć nie może – za zagrożenie bezpieczeństwa narodowego USA.

Zostawiając na boku fobie i paranoje Amerykanów popatrzmy raczej, co w inżynierii kwantowej dzieje się obecnie w Chinach. Generalnie obszar ten można podzielić na:

telekomunikację kwantową oraz
komputery i obliczenia kwantowe.

Zanim jednak przejdziemy do dokładniejszego ich opisu – króciutki rys historyczny.

Historia inżynierii kwantowej w Chinach

Początki rozwoju badań nad zastosowaniem w praktyce zjawisk mechaniki kwantowej można datować w Chinach na rok 1998, kiedy to pod przewodnictwem Chińskiej Narodowej Fundacji Nauk Przyrodniczych (NFSC) odbyło się w Pekinie Forum Naukowe Xiangshan dedykowane tej tematyce. Wkrótce potem powstały wydziały uczelniane zajmujące się badaniami i eksperymentami w zakresie inżynierii kwantowej m.in. na Chińskim Uniwersytecie Technologii i Nauki (USTC), Uniwersytecie Shanxi i Instytucie Fizyki Chińskiej Akademii Nauk (CAS). Dysponowały one dość skromnymi środkami finansowymi.

Sytuacja zmieniła się na lepsze w trakcie 11 Planu Pięcioletniego (2006-2011). Na projekty związane z inżynierią kwantową przeznaczono wtedy ok. 150 milionów dolarów, a pieczę nad specjalnymi projektami powierzono m.in. Ministerstwu Nauki i Technologii (MOST). Kolejny, 12 Plan Pięcioletni (2011-2015) to wzrost funduszy do ok. 500 mln dolarów i kolejne projekty i zaangażowanie kolejnych instytucji rządowych – na przykład Narodowej Komisji Reform i Rozwoju (NDRC). Brak dziś jeszcze podsumowania wszystkich wydatków poniesionych na inżynierię kwantową w ramach trwającego jeszcze 13 Planu Pięcioletniego (2016-2020), ale o skali aktualnego finansowania projektów inżynierii kwantowej może świadczyć fakt, że tylko na jeden z nich wydano ponad 337 milionów dolarów. Poniżej podsumowanie najważniejszych projektów realizowanych w Chinach w ciągu ostatnich 20 lat:

Jak widać łącznie na rozwój inżynierii kwantowej Chiny wydały dotychczas ponad miliard dolarów, a program miał (i wciąż ma) duże wsparcie na szczeblu rządowym i regionalnym.

Telekomunikacja kwantowa

Od samego początku Chiny położyły nacisk przede wszystkim na rozwój telekomunikacji kwantowej uznając, że to właśnie na tym polu, a nie na przykład w dziedzinie komputerów kwantowych można osiągnąć najszybciej konkretne, komercyjne rozwiązania. Nie dziwi zatem fakt, że są światowym liderem w tej kategorii pod względem uzyskanych patentów.

W wielkim skrócie i uproszczeniu (uprasza się fizyków kwantowych o przymknięcie oka) – komunikacja kwantowa wykorzystuje charakterystyczną cechę mechaniki kwantowej polegającą na tym, że obserwujący przez sam fakt obserwacji wpływa na stan obserwowanego obiektu. Innymi słowy, nie da się podejrzeć (podsłuchać) takiej transmisji tak, żeby nadawca i odbiorca się o tym nie dowiedział. Zjawisko to wykorzystuje się przy bezpiecznej kwantowej dystrybucji kluczy szyfrujących (QKD), czyli takich, co do których mamy 100% pewności, że nikt ich nie przechwycił „po drodze”. Nośnikiem informacji są fotony (czyli światło).

Nieco więcej na temat komunikacji kwantowej w znakomitym programie popularno-naukowym „Astronarium”:

Pierwsze próby z kluczami QKD przeprowadzono w Chinach już w 2007 roku na odcinku światłowodowym o długości 100 km (bijąc przy okazji poprzedni rekord wynoszący 10 km). Wkrótce potem, w ramach oddzielnego i niezależnego projektu w mieście Hefei zbudowaną pierwszą na świecie całkowicie bezpieczną optyczną sieć telefoniczną. Potem zbudowano (pierwszy na świecie) usprawniony system dystrybucji kluczy MDI-QKD, eliminujący potencjalne luki bezpieczeństwa. Na bazie tych odkryć w 2013 roku USTC we współpracy z Chińską Siecią Kablową rozpoczęło budowę Bezpiecznej Kwantowej Komunikacyjnej Sieci Szkieletowej Pekin – Szanghaj. Sieć ma ponad 2000 km, 32 węzły dystrybucyjne QKD i łączy ze sobą takie ośrodki jak Pekin, Szanghaj, Jinan, Hefei i inne. Prace zakończono w roku 2018 i od tej pory prowadzone są testy komercyjne między innymi przez banki. Równolegle dalej wykorzystuje się ją do rozwoju technologii telekomunikacji kwantowej.

Fot. 1: Kwantowa sieć światłowodowa Pekin-Szanghai i jej planowana rozbudowa

Telekomunikacja kwantowa znajduje również zastosowanie w projektowaniu globalnych systemów łączności opartych o satelity kwantowe. Już w 2005 roku przeprowadzono w Chinach eksperyment, w którym przesłano klucz QKD na otwartej przestrzeni na odległość 13 km (po raz pierwszy w świecie) i udowodniono tym samym, że foton w stanie splątanym jest w stanie „przeżyć” przejście przez ponad 10 km atmosfery ziemskiej. W 2010 roku wykonano udany eksperyment teleportacji kwantowej na Wielkim Murze na odcinku 16 km udowadniając, że da się ją wykonać na otwartej przestrzeni. W roku 2012 powtórzono ten eksperyment, ale tym razem na odcinku 100 km, co otworzyło pole do dalszych eksperymentów mających na celu wykorzystanie satelitów kwantowych. W roku 2013 zakończono prace badawcze i udowodniono teoretycznie, że ruch względny satelity względem ziemi i kanał o wysokich stratach, charakterystyczny dla łączności satelitarnej – nie powinien być przeszkodą. Nadszedł czas na sprawdzenie tego w praktyce.

Fot. 2: Satelitarny system telekomunikacji kwantowej połączony z światłowodową siecią szkieletową wykorzystywany przez Chiński Bank Ludowy (PBoC) do łączności miedzy centralami w Pekinie i Xinjiangu.

W 2016 roku z Jiuquan (prowincja Syczuan) wyniesiono na orbitę satelitę kwantowego Mozi (jako część projektu QESS – Quantum Experiment as Space Scale). Satelicie wyznaczono trzy cele badawcze: test transmisji kluczy QKD satelita – ziemia, test teleportacji kwantowej ziemia-satelita i nielokalności kwantowej na satelicie. Wszystkie trzy eksperymenty zakończyły się sukcesem. Satelitę wykorzystano również do pokazu możliwości łączności międzykontynentalnej nawiązując bezpieczne połączenie kwantowe między Pekinem a Wiedniem. Wspomnianą powyżej sieć szkieletową Pekin-Szanghaj połączono z satelitą Mozi.

Fot. 3: Satelita kwantowy Mozi

Prace nad rozwijaniem łączności kwantowej w Chinach trwają nadal. Obecnie pracuje się między innymi nad tworzeniem „wzmacniaczy fotonowych” dla łączy światłowodowych (pozwalających na przesyłanie kluczy QKD na większe odległości – obecny limit to 50 km) i „pamięci kwantowych”.

Jeśli chodzi o zastosowania praktyczne, to prym wiedzie firma QuantumCTek założona przez USTC już w 2009 roku. Obecnie jest to światowy lider w zakresie telekomunikacji kwantowej. Zarządza wspomnianymi powyżej sieciami w Hefei i Jinan. Współpracuje z Przemysłowym i Komercyjnym Bankiem Chin w zakresie wdrożenia technologii kwantowych do bezpiecznych połączeń między filiami tego banku oraz do bankowości online. Firma QuantumCTek współpracuje również z Alibaba Cloud nad projektem oferującym dla klientów zewnętrznych bezpieczną kwantową sieć łączności i serwerów. Pod koniec roku 2020 firma Clarivate Analytics tworząca Derwent World Patents Index uznała QuantumCTek za numer jeden na świecie pod względem ilości i jakości patentów z zakresu telekomunikacji kwantowej i pokrewnych technologii.

Kolejna firmą wartą obserwowania jest spółka Shenzen TECHO Telecom, współpracująca blisko z QuantumCTek i posiadająca 1% jej akcji. Jest znana również jako DCITS (Digital China Information Service Company Ltd.). Współuczestniczyła w budowie kwantowej światłowodowej sieci szkieletowej Pekin – Szanghaj. Obecnie rozwija intensywnie aplikację smartfonową Liang Xing Tong oferującą szyfrowanie kwantowe.

Obliczenia i komputery kwantowe

Komputery kwantowe wykorzystują zjawisko superpozycji stanów kwantowych do przetwarzania informacji w sposób równoległy, a nie sekwencyjny (jak współczesne komputery). Ponadto zjawisko to wykorzystuje się również do tworzenia kubitów. Klasyczny bit może mieć wartość tylko 1 lub 0, podczas gdy kubit może być obu tych stanach jednocześnie (chociaż jego odczyt da zawsze 1 lub 0). Pozwala to na operowanie i przechowywanie dwukrotnie większej ilości informacji. Wymaga to emitowania pojedynczych fotonów o bardzo dużym stopniu jednorodności i wydajności – obie rzeczy stanowią poważne wyzwanie technologiczne. Chinom udało się stworzyć najwydajniejsze na świecie źródło takich fotonów. Dla zainteresowanych – są to kwantowe kropki inAs/GaAs, których wydajność jest 24.000 razy większa, niż we wszystkich dotychczas raportowanych na świecie eksperymentach.

Chińscy naukowcy pracują również intensywnie nad metodami tworzenia, manipulowania i mierzenia stanów kwantowych (koniecznych do określenia jaką wartość ma kubit) i to nie tylko pojedynczych stanów splątanych, ale coraz to większej ich ilości. Ostatnie raporty opisują eksperymenty z wytworzeniem pierwszego stanu splątania dla 18 kubitów jednocześnie.

Równolegle trwają prace nad algorytmami optycznymi mającymi przetwarzać te informacje. Wykorzystując kubity jako podstawę do obliczeń uczeni zaprezentowali działający system wykorzystujący algorytm Shora (rozkład na czynniki pierwsze liczb naturalnych – wykorzystywany do łamania kluczy szyfrujących); kodowanie kwantowe odporne na „gubienie” fotonów; implementację statystyki enionowej (inna metoda kodowania w komputerach kwantowych); rozwiązywanie równań liniowych; uczenie maszynowe oparte na stanach splątanych i obliczenia kwantowe w chmurze. Wszystkie te osiągnięcia stanowią podstawę do praktycznych zastosowań obliczeń i komputerów kwantowych w deszyfracji, przetwarzaniu big data i symulacjach kwantowych.

Oddzielną dziedziną badań są obliczenia kwantowe w nadprzewodzących układach scalonych. Również i tu Chińczycy nie zasypiają gruszek w popiele. Zespoły badawcze z USTC i CAS prowadzą zaawansowane badania nad systemami wielo-kubitowymi. Po próbach z systemem 10-cio kubitowym w roku 2017 i 12-to kubitowym w roku 2019 ostatnio zaprezentowali system 18-to kubitowy, największy na świecie splątany system wielo-kubitowy w materiale stałym.

Ostatni temat z tej dziedziny jaki został nam do omówienia, to symulacje kwantowe. Wykorzystują one proste systemy kwantowe (na przykład superschłodzone atomy) do symulowania zachowań złożonych systemów kwantowych – na przykład skondensowanej materii. Symulatory kwantowe nie wymagają kompletnej kontroli nad każdym z elementów i dlatego są dużo prostsze w budowie. Również i tu Chiny znacząco przyczyniły się do rozwoju naukowego. Na przykład w 2019 roku chiński zespół badawczy dokładnie opisał zjawiska zachodzące podczas rezonansu Fensbacha w układzie trójatomowym – znaczący wkład w zrozumienie zjawisk zachodzących na poziomie kwantowym między atomem a molekułą.

Czas na zastosowania praktyczne. Origin Quantum – kolejna firma utworzona przez USTC – zajmuje się produkcją komputerów kwantowych, chipów, oprogramowania i usługi w chmurze (od 2017 roku). Oferuje również produkt Qurator – zintegrowane środowisko programistyczne (IDE) dla programowania kwantowego (w jego skład wchodzą język programowania QRunes i qSDK QPanda). Firma oferuje trzy przykładowe aplikacje dla zastosowań obliczeń kwantowych – złożone sekwencjonowanie sieciowe, rozpoznawanie ręcznie pisanych liczb i przewidywanie zachowań klientów.

W usługach w chmurze Origin Quantum oferuje dostęp do swojego komputera kwantowego Wu Yuan, wyposażonego w procesor 6-cio kubitowy. Warto zauważyć, że jest on w 100% oparty na technologiach chińskich, firma zgłosiła ponad 200 wniosków patentowych i ochronę znaków towarowych w związku z jego produkcją. Obecnie trwają prace nad udostepnieniem klientom wersji z procesorem 24-kubitowym, a do końca 2021 roku planowany jest komercyjnym model Wu Yuan z procesorem 60-cio kubitowym.

Fot. 4: 6-cio kubitowy Wu Yuan firmy Origin Quantum

Z kolei firma SpinQ koncentruje się na produkcji desktopowych komputerów kwantowych. Mogą one pracować w temperaturach pokojowych i zajmują niewiele miejsca. Firma również oferuje usługi w chmurze.

Fot. 5: Komputer SpinQ Gemini

Huawei pracuje nad symulacją komputera kwantowego w chmurze z wykorzystaniem swojej platformy HiQ już od 2018 roku. Stworzył tez dział Quantum Software and Information.

Baidu również stworzyło własny dział badań i rozwoju technologii kwantowych oraz uruchomiło Paddle Quantum (kwantowe uczenie maszynowe) i Quantum Leaf (QaaS – Quantum Infrastructure as a Service, platformę wspierająca rozwój Paddle Quantum).

Tencent ogłosił prace nad kwantowym komputerem w chmurze, ale nie jest on jeszcze dostępny dla użytkowników.

Damo Academy należąca do grupy Alibaba ma własne laboratorium kwantowe, w którym trwają badania nad komputerami kwantowymi, algorytmami i symulacjami kwantowymi. Warto przypomnieć, że Alibaba przeznacza na prace Damo Academy ponad 5 miliardów dolarów rocznie. Oczywiście akademia zajmuje się również wieloma innymi problemami naukowymi poza inżynierią kwantową. Alibaba udostępniła firmom i instytucjom zaangażowanym w badania i rozwój technologii kwantowych platformę AC-QPD (Alibaba Cloud Quantom Development Platform) i symulator kwantowy Tai Zhang.

Co się będzie działo na polu inżynierii kwantowej w Chinach w niedalekiej przyszłości? To poniekąd „wróżenie z fusów herbacianych”, ale oparte częściowo o deklaracje instytucji związanych z tą branżą.

Chiny najprawdopodobniej uznają oficjalnie telekomunikację kwantową jako istotną dla rozwoju państwa, co spowoduje, że potraktują ją tak jak inne kluczowe państwowe projekty infrastrukturalne (światłowody, autostrady, szybka kolej, 5G, sieć energetyczna, etc.) i przeznaczą na jej rozwój znaczne środki, by udostępnić jak najszybciej gotowe rozwiązania kwantowe firmom, administracji i obywatelom, licząc na efekt synergii i pobudzenie innych branż. Udoskonalone zostaną sposoby dystrybucji QKD, China Communication Standards Association opublikuje odpowiednie normy i przepisy regulujące ten rynek, w tym narodowy standard kryptografii kwantowej.

Jako kraj z największym doświadczeniem na świecie w zakresie telekomunikacji kwantowej Chiny będą miały duży wpływ na normy i regulacje związane ze standaryzacją dystrybucji QKD w ITU (co zresztą wywoła wściekłość Amerykanów, którzy oskarżą ITU o „sprzedanie się komuchom” i zapewne wystąpią z tej organizacji).

Trwające badania nad wzmacniaczami fotonowymi najprawdopodobniej doprowadzą do osiągnięcia wydajności „jeden powielacz na 500 km” (obecnie jeden na 50km). To jeszcze bardziej przyspieszy wdrażanie ogólnonarodowej światłowodowej kwantowej sieci telekomunikacyjnej. Równolegle do niej powstawać będzie sieć satelitów kwantowych (na wysokiej i niskiej orbicie). Obie sieci będą również udostępniane krajom należącym do projektu Pasa i Szlaku.