Pan Jianwei: Quantentechnologie ist mit der nationalen Strategie verbunden und kann nur durch kontinuierliche Durchbrüche und Innovationen erreicht werden

▲ Am 26. Mai 2015 war Pan Jianwei damit beschäftigt, Geräte im Labor des USTC Shanghai Institute zu debuggen. Foto von Zhang Duan/This magazine

◆ Die Errungenschaften von „Jiuzhang“ und „Zu Chongzhi II“ haben mein Land zum einzigen Land gemacht, das in beiden physikalischen Systemen „Überlegenheit im Quantencomputing“ erreicht hat, und haben seine Position an der internationalen Spitze der Quantencomputing-Forschung gefestigt.

Originaltitel: Pan Jianwei, Akademiker der Chinesischen Akademie der Wissenschaften: Quantentechnologie ist mit der nationalen Strategie verbunden und kann nur durch kontinuierliche Durchbrüche und Innovationen erreicht werden

Text: Xu Haitao, Zhou Chang und Chen Nuo, Reporter von Outlook News Weekly

Im August 2016 wurde der experimentelle Quantensatellit „Micius“ ins All geschossen, was den Aufstieg meines Landes zu einer führenden Position in der globalen Quantenkommunikationsforschung markierte. Im Dezember 2020 gab die University of Science and Technology of China bekannt, dass Pan Jianwei und andere an der Schule erfolgreich einen 76-Photonen-Quantencomputer-Prototyp „Jiuzhang“ gebaut hätten, wodurch mein Land das zweite Land der Welt sei, das „Überlegenheit im Quantencomputerbereich“ erreicht habe. Im Oktober 2021 wurde der Quantencomputer-Prototyp „Jiuzhang-2“ mit 113 Photonen und 144 Modi angekündigt.

Von „Mozi“ bis „Jiuzhang-2“ bleibt Pan Jianwei, Mitglied der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, unverändert bei der Erforschung der Quantenwelt und der Weiterentwicklung der Quantentechnologie in seinem Land.

Pan Jianwei sagte gegenüber Outlook News Weekly, dass die Quantentechnologie mit der nationalen Strategie zusammenhänge. Mit Blick auf die „großen Dinge des Landes“ müssen wir weiterhin Durchbrüche und Innovationen erzielen und danach streben, einen flexibleren, effizienteren und ressourcenintegrierteren Weg der Zusammenarbeit bei Innovationen zu beschreiten, um sicherzustellen, dass die Entwicklung der Quantentechnologie meines Landes immer an der Weltspitze bleibt.

„Auch Chinesen können gute wissenschaftliche Forschung betreiben“

„Outlook“: Warum heißt der weltweit erste Experimentalsatellit für die Quantenwissenschaft „Mozi“?

Pan Jianwei: Ich fühle mich sehr entspannt, wenn ich mir jetzt das Startvideo ansehe, aber tatsächlich habe ich 30 Sekunden vor dem Start meine Hände gefaltet und gehofft, dass der Satellit erfolgreich ins All eintreten könnte. Der Satellit wurde „Mozi“ genannt, weil Mozi in der chinesischen Geschichte ein „wissenschaftlicher Heiliger“ war. Wir möchten allen sagen, dass auch Chinesen gute wissenschaftliche Forschung leisten können.

Mozi lebte vor 2.400 Jahren. Er befürwortete universelle Liebe und Gewaltlosigkeit, das heißt Gleichheit und Brüderlichkeit, und war gegen den Krieg. In Mo Jing schlug er vor, dass „das Anhalten auf eine lange Zeit zurückzuführen ist und es kein langes Anhalten gibt“, was bedeutet, dass der Grund, warum ein Objekt anhält, hauptsächlich die Einwirkung von Kraft ist. Wenn es keinen Widerstand gibt, wird die Bewegung eines Objekts nie aufhören. Dies ist eigentlich dasselbe Konzept wie Newtons erstes Bewegungsgesetz. Darüber hinaus führte Mozi vor über 2.000 Jahren Lochkamera-Experimente durch. Wir wissen, dass dieses Phänomen nur auftritt, wenn sich Licht geradlinig ausbreitet.

Wir haben den weltweit ersten experimentellen Satelliten für die Quantenwissenschaft „Mozi“ genannt, einerseits um an Mozis Leistungen in der optischen Forschung zu erinnern, andererseits um unser kulturelles Selbstbewusstsein zu demonstrieren.

„Outlook“: Welche Rolle spielt „Mozi“?

Pan Jianwei: Durch den Einsatz von Quantensatelliten zum Aufbau eines Quantenkommunikationsnetzwerks können verschiedene Inseln, Hochseeschiffe, ausländische Institutionen und andere Orte auf der Welt abgedeckt werden, an denen Glasfaser nur schwer oder gar nicht erreichbar ist. So kann die Sicherheit der weltweiten Informationsübertragung meines Landes gewährleistet werden. Die Experimente von „Mozi“ haben diese Machbarkeit vollständig bestätigt.

„Mozi“ hat drei große wissenschaftliche Experimentalaufgaben erfolgreich abgeschlossen. Auf dieser Grundlage wurde die Verbindung von „Mozi“ und der „Beijing-Shanghai Trunk Line“ abgeschlossen, wodurch eine interkontinentale, quantensichere Kommunikation realisiert wurde. Darüber hinaus bietet „Mozi“ auch eine neue Plattform zum Testen grundlegender Probleme der Physik, wie etwa der Integration von Quantenmechanik und Gravitation.

Die Quantencomputerforschung ist international führend

„Ausblick“: Welche Bedeutung hat der erfolgreiche Bau des Quantencomputer-Prototyps „Jiuzhang“?

Pan Jianwei: Dem damals besten klassischen Algorithmus zufolge war die Rechengeschwindigkeit von Jiuzhang bei Sampling-Problemen mit gaußschen Bosonen hundert Billionen Mal schneller als die des schnellsten Supercomputers der Welt, Fugaku. Damit war er der zweite Computer der Welt, der „Überlegenheit im Quantencomputing“ erreichte. Der Name „Jiuzhang“ wurde in Erinnerung an die berühmte alte chinesische mathematische Monographie „Jiuzhang Suanshu“ gewählt.

Um diesen Durchbruch im Jahr 2020 zu erreichen, haben wir tatsächlich 20 Jahre harter Arbeit gebraucht. Der Durchbruch von „Jiuzhang“ bestand hauptsächlich darin, drei große technische Schwierigkeiten zu überwinden: eine hochwertige Quantenlichtquelle, eine hochpräzise Phasenkopplungstechnologie und eine Interferenztechnologie im großen Maßstab.

Seit Anfang dieses Jahres hat unser Team eine Reihe konzeptioneller und technologischer Innovationen durchgeführt und vor Kurzem erfolgreich „Jiuzhang-2“ entwickelt. Wir haben drei große Durchbrüche erzielt. Erstens haben wir die Ausbeute, Qualität und Sammlungseffizienz von Quantenlichtquellen deutlich verbessert und die wichtigsten Indikatoren der Lichtquelle von 63 % auf 92 % erhöht. Zweitens wurde die Multiphotonen-Quanteninterferenzschaltung von 100 auf 144 Dimensionen erweitert und die Anzahl der manipulierten Photonen von 76 auf 113 erhöht. Drittens wurden neue programmierbare Funktionen hinzugefügt.

Die Ergebnisse zeigen, dass die Rechenleistung von „Jiuzhang-2“ erheblich verbessert wurde. Laut dem besten bisher veröffentlichten klassischen Algorithmus ist die Verarbeitungsgeschwindigkeit von „Jiuzhang-2“ bei der Lösung des Gaussian-Boson-Sampling-Problems eine Milliarde Mal schneller als die des schnellsten Supercomputers der Welt und 10 Milliarden Mal schneller als die von „Jiuzhang“ mit 76 Photonen. Derzeit ist „Jiuzhang-2“ nur ein „Einzelkämpfer“ und kann nur das spezifische Problem der Gaußschen Bosonen-Stichprobenziehung lösen, aber die Lösung dieses Problems hat einen potenziellen Anwendungswert in der Graphentheorie, der Quantenchemie und anderen Bereichen.

„Ausblick“: Quantencomputing umfasst mehrere technische Wege. Wie ist die Position meines Landes im Bereich supraleitender Quantencomputer?

Pan Jianwei: Neben dem optischen Quantencomputing haben wir auch eine gute Ausrichtung in Richtung supraleitendes Quantencomputing.

Im Mai dieses Jahres haben wir den „Zu Chongzhi“ gebaut, einen 62-Bit-supraleitenden Quantencomputer-Prototyp mit der damals größten Anzahl supraleitender Quantenbits, und programmierbare zweidimensionale Quantenspaziergänge realisiert. Auf Grundlage des „Zu Chongzhi“ haben wir ein neues Flip-Chip-3D-Verpackungsverfahren eingeführt, um das Problem der großflächigen Bitintegration zu lösen, und erfolgreich den „Zu Chongzhi Nr. 2“ entwickelt, der eine hochdichte Integration von 66 Datenbits, 110 Kopplungsbits und 11-Wege-Lesen erreicht. Durch Quantenprogrammierung gelang uns die Abtastung von Quantenzufallsschaltkreisen und wir demonstrierten die Programmierfähigkeit von Zu Chongzhi-2 zur Ausführung beliebiger Quantenalgorithmen. Laut dem derzeit öffentlich verfügbaren optimierten klassischen Algorithmus kann „Zu Chongzhi Nr. 2“ Quantenzufallsschaltungs-Samplingprobleme mehr als 10 Millionen Mal schneller verarbeiten als der schnellste derzeit verfügbare Supercomputer und etwa 40.000 Mal schneller als Googles Prototyp desselben Typs, „Sycamore“.

Die Errungenschaften von „Jiuzhang“ und „Zu Chongzhi II“ haben mein Land zum einzigen Land gemacht, das in beiden physikalischen Systemen eine „Überlegenheit im Quantencomputing“ erreicht hat, und es hat damit seine Position an der internationalen Spitze der Quantencomputing-Forschung gefestigt.

Weiterentwicklung strategischer Quanteninformationstechnologie

„Ausblick“: Was bringt uns die Entwicklung der Quanteninformationstechnologie?

Pan Jianwei: Die Quanteninformationstechnologie ist nicht nur eine strategische Technologie für unser Land, sondern hat sich auch zu einem wichtigen strategischen Orientierungspunkt für die wichtigsten Industrieländer in Europa und den USA entwickelt. So wie Transistoren die Grundlage von Computern bilden, ist die Lasertechnologie eine wichtige Unterstützung für das moderne Internet, und die Entwicklung der Navigationstechnologie ist untrennbar mit der Unterstützung von Präzisionsmesstechnologien wie Atomuhren verbunden ... Die Etablierung der Quantenmechanik führte direkt zur Entwicklung der modernen Informationstechnologie. Nach mehr als hundert Jahren der Entwicklung hat die Quantenmechanik technische Vorbereitungen getroffen, um einige der Probleme zu lösen, mit denen wir derzeit konfrontiert sind.

Mit der Quantenkommunikation steht eine prinzipiell bedingungslos sichere Kommunikationsmethode zur Verfügung, die die Sicherheit bestehender Informationssysteme deutlich verbessern kann.

Die Rechenleistung des Quantencomputings steigt exponentiell mit der Anzahl der Quantenbits. Die Fähigkeit des Quantencomputings, parallele Operationen durchzuführen, kann zum Faktorisieren großer Zahlen, Lösen linearer Gleichungssysteme usw. genutzt werden. Beispielsweise würde die Faktorisierung einer 300-stelligen Zahl mit einem klassischen Billionen-mal-Computer 150.000 Jahre dauern, mit einem Quanten-Billionen-mal-Computer hingegen nur 1 Sekunde. Daher weist das Quantencomputing großes Potenzial auf und kann in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, darunter das klassische Knacken von Codes, die Wettervorhersage, die Finanzanalyse, die Entwicklung von Medikamenten, die Aufklärung der Mechanismen neuer Energien und neuer Materialien usw.

Ausblick: Was ist Ihr nächstes Ziel?

Pan Jianwei: Im Bereich des Quantencomputings hat die internationale akademische Gemeinschaft drei Phasenziele definiert und das Ziel der ersten Phase wurde erreicht. Die zweite Phase besteht darin, die grundlegende Implementierung der Quantenfehlerkorrektur abzuschließen und einen speziellen Quantensimulator zu entwickeln, der Hunderte von Quantenbits kohärent manipulieren kann und auf spezifische Probleme wie kombinatorische Optimierung, Quantenchemie, maschinelles Lernen usw. angewendet werden kann, um Materialdesign, Arzneimittelentwicklung usw. zu steuern. Das Erreichen dieser Phase wird fünf bis zehn Jahre dauern und ist die aktuelle Hauptforschungsaufgabe.

Auf dem Gebiet der Quantenkommunikation hoffen wir, durch 10 bis 15 Jahre Anstrengung eine vollständig raum-bodenintegrierte Quantenkommunikationstechnologie für große Entfernungen zu entwickeln und die breite Anwendung der Quantenkommunikation in den Bereichen Finanzen, Regierungsangelegenheiten, Energie und anderen Bereichen zu fördern. Gleichzeitig werden wir durch den Einsatz der hochpräzisen optischen Quantenübertragungstechnologie und der experimentellen Plattform für die Weltraumquantenwissenschaft, die aus der Weitbereichs-Quantenkommunikation entwickelt wurde, ein hochpräzises Zeit- und Frequenzübertragungsnetzwerk aufbauen und damit einen wichtigen Beitrag zur Definition der „Sekunde“ der nächsten Generation leisten. Auf dieser Grundlage hoffen wir, Forschungen zu grundlegenden Problemen der Physik wie der Detektion von Gravitationswellen und der Suche nach dunkler Materie durchführen zu können.

Veröffentlicht in Outlook, Ausgabe 51, 2021

Quelle: Outlook

Ausführender Produzent | Shi Xiangzhou

Produzent | Yang Yue

Herausgeber | Tang Duoduo