Tausende Kilometer Verschränkung, geheime Übertragung zwischen Sternen und Erde und Teleportation – damit hätte Planck nie gerechnet …

China hat die Quantencomputer-Prototypen „Jiuzhang-2“ und „Zu Chongzhi-2“ erfolgreich entwickelt, IBM aus den USA hat die Realisierung des „weltgrößten“ Quantencomputer-Prozessors angekündigt und Japan hat angekündigt, 14,5 Milliarden Yen für die Beschleunigung der Forschung im Bereich der sicheren Quantenkommunikation bereitzustellen. In letzter Zeit hat sich die Quantentechnologie rasant weiterentwickelt und viele Länder streben danach, auf diesem technologischen Weg, der die Zukunft der Menschheit betrifft, die Führung zu übernehmen.

Als Max Planck vor 121 Jahren das Konzept der „Quanten“ vorschlug, konnten sich selbst die kühnsten Menschen kaum vorstellen, wie sehr dies die Welt verändern würde – Kernenergie, Laser, Computer, Mobiltelefone usw. hängen alle damit zusammen.

Welche Zukunft wird uns die „zweite Quantenrevolution“ bringen, nachdem sie begonnen hat? Welchen Platz nimmt China im weltweiten Quantentechnologie-Boom ein? Welche neuen Beiträge wird China zur globalen Entwicklung der Quantentechnologie leisten, während es seine Bemühungen um ein hohes Maß an wissenschaftlicher und technologischer Autarkie beschleunigt?

Man geht davon aus, dass mit zunehmender Vertiefung unseres Verständnisses der quantenmikroskopischen Welt auch die makroskopische Welt schöner wird.

Text丨Xu Haitao, Wei Yuhong, Chen Nuo, Zhou Chang, Reporter von Outlook News Weekly

Dieser Artikel wurde aus dem Outlook-Client nachgedruckt. Der Originalartikel wurde erstmals am 18. Dezember 2021 veröffentlicht. Der Originaltitel lautete „Quantum Ark Sailing towards the Future“ und wurde erstmals 2021 in der 51. Ausgabe von Outlook News Weekly veröffentlicht.

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Vormarsch zum ersten Lager

„Er kann bestimmte mathematische Probleme Milliarden Mal schneller lösen als der schnellste Supercomputer!“ Im Oktober dieses Jahres löste die Nachricht vom Durchbruch Chinas in der Quantentechnologie eine große Resonanz in der weltweiten Wissenschafts- und Technologiegemeinschaft aus.

„Das ist eine aufregende experimentelle Glanzleistung“, sagte der Quantenphysiker Barry Saunders, Professor an der Universität von Calgary in Kanada.

Die Veröffentlichung relevanter Artikel in der international anerkannten Fachzeitschrift Physical Review Letters zeigt, dass die von China entwickelten Quantencomputer-Prototypen „Jiuzhang-2“ und „Zu Chongzhi-2“ von der internationalen akademischen Gemeinschaft anerkannt wurden. Dadurch ist mein Land das einzige Land der Welt, das in den beiden technologischen Bereichen der photonischen Quantentechnologie und der Supraleitung die „Quantenüberlegenheit“ erreicht hat.

„Quantenüberlegenheit“ ist wie eine Schwelle. Das bedeutet: Wenn die Rechenleistung eines neuen Quantencomputer-Prototyps bei einem bestimmten Problem die des leistungsstärksten herkömmlichen Computers übertrifft, beweist dies, dass er das Potenzial hat, andere in Zukunft in vielen Aspekten zu übertreffen.

Im Laufe der Jahre hat die internationale akademische Gemeinschaft diesem Wendepunkt mit großer Aufmerksamkeit entgegengesehen.

Im September 2019 brachte Google einen 53-Qubit-Computer namens „Linden“ auf den Markt, der für die Berechnung eines mathematischen Algorithmus nur 200 Sekunden benötigte. Der damals schnellste Supercomputer der Welt, „Summit“, benötigte 2 Tage. Die Vereinigten Staaten waren die ersten, die die „Quantenüberlegenheit“ erreichten.

Ein Jahr später entwickelte China erfolgreich den „Jiuzhang“, einen Prototyp einer Quantencomputermaschine mit 76 Photonen. Die Lösung des mathematischen Algorithmus „Gaussian Boson Sampling“ dauerte nur 200 Sekunden, während der damals schnellste Supercomputer der Welt 600 Millionen Jahre brauchte. Damit ist China das zweite Land der Welt, das die „Quantenüberlegenheit“ erreicht hat.

Im Oktober dieses Jahres löste „Jiuzhang-2“ die Gaussian-Boson-Sampling-Rechnung 10 hoch 24 (Billiarden Mal) schneller als der schnellste Supercomputer der Welt. Die Rechenkomplexität von „Zu Chongzhi-2“ ist 1 Million Mal höher als die von „Platanus“, das von Google gestartet wurde. Die „Quantenüberlegenheit“ meines Landes hat Aufmerksamkeit erregt.

„China war einst weltweit führend in der Quantenkommunikation. Jetzt können wir sagen, dass auch unser Quantencomputing die weltweit erste Liga erreicht hat.“ „Jiuzhang-2“ und „Zu Chongzhi-2“ wurden vom Team des Akademikers Pan Jianwei von der University of Science and Technology of China entwickelt, sagte Lu Chaoyang, Teammitglied und Projektleiter von „Jiuzhang-2“.

Die Quantentechnologie lässt sich im Wesentlichen in drei große Bereiche unterteilen: Quantencomputing, Quantenkommunikation und Quantenpräzisionsmessung.

In den letzten Jahren hat China mit dem Start des Quantensatelliten „Mozi“ die Führung in der Quantenkommunikationsforschung übernommen. In diesem Jahr baute China das weltweit erste Satelliten-Boden-Quantenkommunikationsnetzwerk auf und stellte mit 500 Kilometern standortgebundener Glasfaser-Quantenkommunikation einen Weltrekord auf, wodurch es seine Vorteile weiter festigte.

Auf dem Gebiet der Quantenpräzisionsmessung liegen Chinas wissenschaftliches Forschungsniveau und technologische Anwendung auf Augenhöhe mit denen europäischer und amerikanischer Länder, und jedes dieser Länder verfügt über seine eigenen Vorteile. In den letzten Jahren hat mein Land bedeutende Ergebnisse erzielt, wie etwa die Messung des Kerr-Effekts mit Einzelphotonen und der Präzision der Heisenberg-Grenze, die dreidimensionale Einzelphotonenbildgebung über 200 Kilometer und die Erfassung magnetischer Resonanzspektren einzelner DNA-Moleküle in einer wässrigen Lösung bei Raumtemperatur. Darüber hinaus hat China innovative Produkte wie ein Quantendiamant-Einzelspinspektrometer und ein Quantendiamant-Rasterkraftmikroskop auf Basis der Diamant-NV-Farbzentrumstechnologie entwickelt.

Statistiken aus dem „Forschungsbericht zur Entwicklung und Anwendung der Quanteninformationstechnologie (2020)“, der von der Chinesischen Akademie für Informations- und Kommunikationstechnologie veröffentlicht wurde, zeigen, dass die Zahl der in den drei wichtigsten Bereichen der Quanteninformation weltweit veröffentlichten wissenschaftlichen Forschungsarbeiten zwischen 2000 und 2019 kontinuierlich gestiegen ist. Die Zahl der von US-Forschungseinrichtungen und Unternehmen veröffentlichten Artikel überstieg 12.000 und belegte damit den ersten Platz unter allen Ländern. Dicht dahinter folgte China mit über 9.000 Beiträgen, und Deutschland, Japan und das Vereinigte Königreich belegten die Plätze drei bis fünf. Unter ihnen belegte China in den drei Bereichen Quantenkommunikation, Quantencomputer und Quantenpräzisionsmessung hinsichtlich der Anzahl der veröffentlichten Artikel den ersten, zweiten und zweiten Platz.

„In den drei großen Quantenbereichen liegen wir mittlerweile in allen Aspekten auf dem ersten Platz. Die Quanteninformatik war früher relativ rückständig, holt jetzt aber allmählich auf“, sagte Guo Guangcan, Mitglied der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und Direktor des Schlüssellabors für Quanteninformation der Chinesischen Akademie der Wissenschaften.

„Derzeit ist die großflächige Anwendung der Quanteninformationstechnologie zu einem Ziel geworden, um das viele Länder konkurrieren.“ Pan Jianwei, ein Akademiker der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, sagte, dass die Quantentechnologie meines Landes unter der großen Aufmerksamkeit der Partei und des Landes einen historischen Sprung vom Mitlaufen und Mitlaufen zur teilweisen Führung vollzogen habe.

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Das „Goldene Zeitalter der Forschung“

Im Jahr 1900, als die Quantentheorie erstmals entwickelt wurde, war China schon seit langem schwach und konnte nur Zuschauer sein. Warum ist Chinas Quantentechnologie heute, mehr als hundert Jahre später, auf dem Vormarsch?

Guo Guangcan war der erste Mensch in China, der nach der Reform und Öffnung mit der Erforschung der Quanteninformation begann. Er erinnert sich noch gut an seine Entdeckung, als er 1980 zum Studium an die Universität Toronto in Kanada ging: Die ausländische Forschung zur Quantenoptik hatte bereits in den 1960er Jahren begonnen, und in China gab es praktisch keine entsprechende Forschung. Angesichts einer 20-jährigen Unterbrechung schloss er mit einer Gruppe chinesischer Studenten, die in Kanada und den USA studierten, eine Vereinbarung: Derjenige, der zuerst nach China zurückkehrte, sollte ein Team gründen und sich dem Gebiet der Quantenoptik widmen.

Im Jahr 1984 war Guo Guangcan nach seiner Rückkehr nach China Gastgeber der ersten nationalen wissenschaftlichen Konferenz zur Quantenoptik. Danach eröffnete er den ersten Lehrgang für Quantenoptik und das erste Quanteninformationslabor des Landes und im Jahr 2001 erhielt er das erste „973“-Projekt des Landes für Quanteninformationstechnologie, bei dem ein Team von mehr als 50 Wissenschaftlern aus mehr als einem Dutzend wissenschaftlicher Forschungseinrichtungen im ganzen Land zusammenkam.

Im Jahr 1996 ging Pan Jianwei, damals ein 26-jähriger Absolvent des USTC, nach Österreich, dem Geburtsort der Quantenmechanik, um dort seinen Doktortitel zu erwerben.

Im Forschungsteam von Professor Salinger, einem Meister der Quantenphysik, fiel Pan Jianwei schnell auf. Im Jahr 1997 wurde die Arbeit „Experimental Quantum Teleportation“, bei der er Zweitautor war, von der amerikanischen Zeitschrift Science zu einem der zehn größten wissenschaftlichen und technologischen Fortschritte des Jahres gekürt.

Doch Pan Jianwei träumt nicht nur davon, ein Weltklasse-Gelehrter zu werden. Pan Jianwei erinnerte sich, dass er auf die Frage seines Mentors Salinger: „Pan, was ist dein Traum?“ antwortete: „Mein Traum ist es, in China ein Quantenoptiklabor der Spitzenklasse zu bauen, so wie das hier.“

Viele Jahre später erklärte Pan Jianwei Reportern seine innersten Gedanken: „Die moderne Wissenschaft hat ihren Ursprung nicht in China. Können die Chinesen die wissenschaftliche Grenze erreichen und bedeutende Innovationen anführen?“

Nach Ansicht von Pan Jianwei halten sich alle chinesischen Wissenschaftler und Techniker zurück und hoffen, durch harte Arbeit beweisen zu können, dass sie nicht nur im Ausland erfolgreich sind, sondern auch im Inland hervorragende Ergebnisse erzielen können.

Im August 2016 wurde der weltweit erste experimentelle Satellit für die Quantenwissenschaft, benannt nach dem chinesischen Weisen „Mozi“, erfolgreich im Jiuquan Satellite Launch Center gestartet. Mithilfe von „Mozi“ als Plattform hat China drei große Durchbrüche in der internationalen Quantenforschung erzielt: „Tausend-Meilen-Verschränkung, geheime Übertragung vom Weltraum zur Erde und unsichtbare Übertragung.“

Seitdem hat Chinas Quantentechnologie große Fortschritte gemacht, darunter die experimentelle Entdeckung des anomalen Quanten-Hall-Effekts, „Jiuzhang“, das weltweit erste Satelliten-Boden-Quantenkommunikationsnetzwerk, „Zu Chongzhi“, „Jiuzhang II“, „Zu Chongzhi II“.

Pan Jianwei führte den schnellen Fortschritt der Quantenforschung auf Chinas „goldenes Zeitalter der wissenschaftlichen Forschung“ und die institutionellen Vorteile zurück, die sich aus der „Konzentration von Ressourcen zur Bewältigung großer Aufgaben“ ergeben.

Am Beispiel des Satelliten „Mozi“ sagte er, dass jede Komponente des Satelliten die harte Arbeit verschiedener wissenschaftlicher Forschungseinrichtungen verkörpere, wie etwa des Shanghai Institute of Technical Physics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, des Microsatellite Innovation Institute, des Institute of Opto-Electronics Technology, des National Astronomical Observatory, des Purple Mountain Observatory und des National Space Science Center. „Verschiedene Institutionen haben uns mit den notwendigen Grundkomponenten versorgt, die eine solide technische Grundlage für unsere innovativen Ideen bildeten. Einige meiner Kollegen im Ausland hatten ähnliche wissenschaftliche Ideen, aber kein Land hat sie so umfassend unterstützt wie wir“, sagte Pan Jianwei.

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„Die Trommeln der zweiten Quantenrevolution sind erklungen“

Die ganze Welt strebt nach der „Quantenüberlegenheit“, weil es sich dabei um eine variable „Größe“ handelt – die magischen und faszinierenden Eigenschaften der Quantensuperposition, der Quantenverschränkung und der Quanten-Nichtklonierung verleihen der Quantentechnologie großartige Anwendungsaussichten und einen breiten Raum für die Vorstellungskraft.

„Die Quantenmechanik ist ein mysteriöses und schwer fassbares Thema. Keiner von uns kann sie wirklich verstehen, wir wissen nur, wie man sie nutzt“, sagte der Nobelpreisträger und amerikanische Physiker Murray Gell-Mann einmal.

„Das Aufkommen der Quantentheorie löste im letzten Jahrhundert die erste Quantenrevolution aus und war die Geburtsstunde der modernen Informationstechnologie.“ Pan Jianwei führte aus, dass Technologien wie Kernenergie, Laser und Halbleiter auf der Grundlage der Quantentheorie entstanden und anschließend wichtige Anwendungen wie Computer, das Internet und Mobiltelefone entwickelt wurden.

Mit Beginn des 21. Jahrhunderts sind im Quantenbereich zahlreiche neue Entdeckungen, neue Theorien und neue Technologien entstanden, was darauf hindeutet, dass die zweite Quantenrevolution in die Anfangs- und Beschleunigungsphase eingetreten ist. Das Magazin Nature kommentierte: „Die Schlachttrommeln der zweiten Quantenrevolution sind erklungen!“

„Bei der ersten Quantenrevolution fragten die Leute nur, was die Quantentheorie uns ermöglichen könnte, ohne zu fragen, warum. Es war passive Beobachtung und Anwendung.“ Guo Guangcan sagte, dass die zweite Quantenrevolution die aktive Nutzung von Quanteneigenschaften zur Entwicklung innovativer Anwendungen wie Quantenkommunikation, Quantencomputer und Quantenpräzisionsmessung sei.

Einfach ausgedrückt liegt der revolutionäre Charakter dieser Anwendungen in der Tatsache, dass Quantencomputing ein exponentielles Wachstum der menschlichen Rechenleistung ermöglichen kann, Quantenkommunikation theoretisch absolute Vertraulichkeit in der Kommunikation erreichen kann und Quantenpräzisionsmessung die Erkennungsgenauigkeit vom Mikrometer- bis zum „Atomniveau“ verbessern kann.

Natürlich variiert der Zeitplan für die Umsetzung der Quantentechnologie in echte Produktivität.

Zhu Xiaobo, Professor am USTC und Verantwortlicher des Zu Chongzhi-2-Projekts, sagte: „Die vorherrschende Meinung in der internationalen Quantengemeinschaft ist, dass es etwa 10 bis 15 Jahre dauern wird, einen fehlertoleranten universellen Quantencomputer mit praktischem Nutzen zu entwickeln.“

Es ist bekannt, dass Quantencomputing mehrere technische Ansätze umfasst, beispielsweise Supraleitung, Photonen, Ionenfallen, Halbleiter und Topologie. Derzeit drängen internationale Technologieunternehmen wie Google, IBM, Intel, Microsoft, Amazon und Honeywell auf den Markt. Auch inländische Universitäten wie die University of Science and Technology of China, die Zhejiang-Universität, die Tsinghua-Universität und die Southern University of Science and Technology sowie Unternehmen wie Tencent, Huawei und Alibaba haben Forschung und Entwicklung betrieben.

In der Branche wird allgemein angenommen, dass die Entwicklung von Quantencomputern drei Phasen durchlaufen wird:

In der ersten Phase werden wir einen dedizierten Quantencomputer mit 50 bis 100 Quantenbits entwickeln und damit einen Meilenstein in der „Quantenüberlegenheit“ erreichen.

Die zweite Phase besteht darin, einen Quantensimulator zu entwickeln, der Hunderte von Quantenbits manipulieren kann, um Probleme zu lösen, die Supercomputer nicht lösen können und die einen erheblichen praktischen Wert haben. Zum Beispiel Quantenchemie, Design neuer Materialien, Optimierungsalgorithmen usw.

Die dritte Phase besteht darin, die Manipulationsgenauigkeit, Integrationsmenge und Fehlertoleranz von Quantenbits deutlich zu verbessern und einen programmierbaren universellen Quantencomputer zu entwickeln.

„Einschließlich ‚Jiuzhang-2‘ und ‚Zu Chongzhi-2‘ befindet sich die gesamte aktuelle Quantencomputerforschung weltweit noch in der Anfangsphase.“ Zhu Xiaobo sagte, die akademische Gemeinschaft sei optimistisch, dass lokale Anwendungen in etwa fünf Jahren umgesetzt würden.

Was den programmierbaren universellen Quantencomputer der dritten Stufe betrifft, sagen Wissenschaftler voraus, dass er in vielen Bereichen eingesetzt werden kann, etwa beim Knacken von Codes, bei der Wettervorhersage, in der Finanzanalyse, in der Arzneimittelentwicklung und bei der Mineralexploration. Noch weitreichender ist, dass die enorme Rechenleistung von Quantencomputern den Menschen dabei helfen wird, wichtige grundlegende wissenschaftliche Probleme in Bereichen wie Physik und Chemie zu verstehen. Zudem wird sie einen „Multiplikationseffekt“ mit Technologien wie künstlicher Intelligenz erzeugen und so die „Kernspaltungsreaktion“ beschleunigen.

Zhang Shengyu, Leiter des Tencent Quantum Lab, erklärte Reportern, dass man in jüngster Zeit Fortschritte bei der Initialisierung von Quantenbits, der Quantenkompilierung und -architektur sowie dem Entwurf von Algorithmen für große Graphen gemacht habe und aktiv industrielle Anwendungen wie die Arzneimittelentwicklung und Materialsimulation erforsche.

Im Bereich der Quantenkommunikation befindet sich die Welt in einer Phase, in der der Aufbau von Netzwerken und die Erforschung von Anwendungen parallel voranschreiten.

Es ist etwa 1 Meter hoch und wiegt weniger als 100 Kilogramm. Es verfügt über eine tiefe Linse, die in den Himmel blickt ... Dies ist die weltweit erste miniaturisierte mobile Quantensatelliten-Bodenstation, die kürzlich von USTC Guodun Quantum Technology Co., Ltd. gestartet wurde.

„Diese Bodenstation ist leicht und mobil und kann innerhalb von 12 Stunden installiert werden. Sie kann in Grenzgebieten, auf Inseln und in anderen abgelegenen Gebieten eingesetzt werden, um eine Verbindung mit dem Satelliten ‚Mozi‘ herzustellen und so eine bequeme Nutzung quantensicherer Kommunikation zu ermöglichen.“ Zhou Lei, Quantenprojektleiter der KUST Guodun Company, stellte vor, dass ihre andere neue Anwendung ein kommerzieller Quantenschlüsselverteiler sei, der Tausende von Schlüsseln pro Sekunde generieren könne. Ziel ist es, die Quantenkommunikation an Orten zu ermöglichen, wo „Glasfasern hinreichend sind“.

Es wird berichtet, dass sich die aktuelle Forschungs- und Entwicklungsrichtung der internationalen Quantenkommunikation auf Kommunikationsdistanz, Kernkomponenten, Miniaturisierung, neue Protokolle und andere Aspekte konzentriert. Es entstehen ständig neue Anwendungen in Regierungsangelegenheiten, im Energiebereich, im Finanzwesen und in anderen Bereichen, und Industriestandards und Bewertungsspezifikationen werden schrittweise verbessert. China nimmt in der weltweiten wissenschaftlichen Forschung und Anwendung eine Vorreiterrolle ein und übernimmt bei der Formulierung von Standards für die Quantenkommunikation bei der Internationalen Fernmeldeunion und der Internationalen Organisation für Normung die Führung.

Verglichen mit Quantencomputern und Quantenkommunikation erscheint die Quantenpräzisionsmessung mysteriöser, doch in der Branche ist man allgemein davon überzeugt, dass die Quantenpräzisionsmessung das erste Feld der Quantentechnologie sein wird, das angewandt und industrialisiert wird.

„Die Genauigkeit der Quantenmessung kann bis auf die atomare Ebene reichen.“ Guoyi Quantum (Hefei) Technology Co., Ltd. (im Folgenden Guoyi Quantum genannt) ist das erste innovative Unternehmen in China, dessen Kern die Quantenpräzisionsmesstechnologie ist. Zhang Wei, Vizepräsident des Unternehmens, erläuterte, dass herkömmliche Messtechnologien lediglich in der Lage seien, Messungen im minimalen Mikrometerbereich durchzuführen, während Quantentechnologien im Nanometer- und Subnanometerbereich tausende oder zehntausende Male präziser seien und so einen revolutionären technologischen Fortschritt in der Präzisionsinstrumentenbranche mit sich bringen. Beispielsweise kann durch den Einsatz von Quantenpräzisionsmessungen im Bereich der Biowissenschaften der Gehalt extrem geringer Substanzen im Blut genau analysiert werden.

„Quantenpräzisionsmessung beginnt nun, alle Lebensbereiche und jeden Haushalt zu erreichen.“ He Yu, Vorsitzender von Guoyi Quantum, sagte, dass sich die Quantenpräzisionsmessung in den Bereichen Ölförderung, Biowissenschaften, fortschrittliche Materialien, Energie und Elektrizität bewährt habe.

Quantenpräzisionsmessungen könnten künftig in vielen Bereichen Anwendung finden, darunter bei der Charakterisierung von Oberflächeneigenschaften und der Struktur von supraleitenden Materialien, bei kardio-zerebralen Magnetfeldmessungen in der Medizin, bei der Analyse von Spurenstoffkomponenten in der präklinischen Forschung, bei der Tumorzellbildgebung in den Biowissenschaften und bei der Messung geomagnetischer Felder für die Navigation. Dies eröffnet der Instrumentenindustrie revolutionäre Möglichkeiten.

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Drei große Herausforderungen: Technologie, Industrie und Talent

Die „zweite Quantenrevolution“ hat Ländern auf der ganzen Welt einen neuen technologischen Weg eröffnet.

Im Januar dieses Jahres kündigte Frankreich den Start einer nationalen Strategie für Quantentechnologie an. Das Land plant, über einen Zeitraum von fünf Jahren 1,8 Milliarden Euro zu investieren, um Frankreich zu einem der drei weltweit führenden Länder im Quantenbereich zu machen.

Im Mai kündigte Deutschland eine Förderung von fast zwei Milliarden Euro an, um es dem Land zu ermöglichen, im Quantenrennen „Schritt zu halten“.

Australien kündigte Mitte November eine Investition von 100 Millionen australischen Dollar an, um die Kommerzialisierung der Quantenforschung voranzutreiben.

Ende desselben Monats kündigte Japan eine Förderung von 14,5 Milliarden Yen an, um die Forschung im Bereich der quantensicheren Kommunikation zu stärken und so zur Stärkung der wirtschaftlichen und militärischen Sicherheit beizutragen.

Während die Welt um die Entwicklung des Quantencomputers wetteifert, sind Branchenkenner der Ansicht, dass mein Land derzeit vor mindestens drei großen Herausforderungen steht: Technologie, Industrie und Talent.

Schauen wir uns zunächst die technischen Herausforderungen an. Als Wissenschaft, die die mikroskopische Welt erforscht, ist die Quantentechnologieforschung äußerst schwierig. Wang Jianyu, Mitglied der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, verglich die Durchführung des „Weltraum-Erde-Experiments“ des Quantensatelliten mit „einer Person, die aus 10.000 Metern Höhe eine Münze in ein Sparschwein auf dem Boden wirft“.

Aus Sicht von Guo Guoping, stellvertretender Direktor des Key Laboratory of Quantum Information der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, ist die Entwicklung eines Quantencomputers wie „der Bau einer Pyramide aus Atomen“.

„Quantencomputing stellt extrem hohe Anforderungen an die Umgebung. Es muss nicht nur eine extrem niedrige Temperatur herrschen, sondern auch ultrarein sein. Extrem schwaches Rauschen, Licht, Magnetfelder und winzige Partikel können das Signal stören und das gesamte System ist sehr komplex und schwierig“, sagte Kong Weicheng, rotierender Vorsitzender von Hefei Benyuan Quantum Computing Technology Co., Ltd.

Zhu Xiaobo sagte, dass eine große technische Herausforderung bei der aktuellen Entwicklung von Quantencomputern darin bestehe, die Präzision der Manipulation von Quantenbits zu verbessern und die Genauigkeit der Berechnungen zu steigern. „Selbst wenn beispielsweise die Genauigkeit einer einzelnen Gate-Operation 99 % erreicht, sinkt sie nach 70 Operationen unter 50 %.“

Schauen wir uns die Herausforderungen der Branche an. Viele Experten sagten, dass sich die aktuelle Entwicklung der Quantentechnologie in der Übergangsphase von der wissenschaftlichen Forschung zur Anwendung befinde. Um den Übergang zur Industrialisierungsphase zu beschleunigen, ist die Bildung einer industriellen Ökologie aus „wissenschaftlichen Forschungseinrichtungen + Unternehmen + Nutzern“ erforderlich.

Ying Yong, Präsident von USTC Guodun Quantum Technology Co., Ltd., sagte, dass die größte Schwierigkeit der Branche im Bereich der Quantenkommunikation der geringe Anwendungsbereich sei und dass es bei der Produktförderung im Vergleich zu Forschung und Entwicklung zu einer Verzögerung kommen werde. Gleichzeitig erfordert die Quantenkommunikation eine Änderung der Nutzungsgewohnheiten der Benutzer, und die Kosten und der Arbeitsaufwand für die Umgestaltung des Informationssystems sind sehr hoch, was sich auf die Anwendung der Quantenkommunikationstechnologie auswirkt.

„Quantentechnologieprodukte, die von wissenschaftlichen Forschungseinrichtungen entwickelt werden, müssen von mehr Unternehmen und Anwendern ausprobiert werden. Nur durch das Erkennen von Problemen in Anwendungen, das Erstellen von Anwendungsszenarien und die rechtzeitige Bereitstellung von Feedback an die Forschungs- und Entwicklungsabteilung kann sich die Branche iterativ weiterentwickeln“, sagte Guo Guangcan.

Schließlich wird der Mangel an qualifizierten Fachkräften als wichtiger Faktor angesehen, der die Entwicklung der Quantentechnologie einschränkt.

Robert Sutor, Vizepräsident für Quantenstrategie und -ökologie bei IBM, sagte einmal, dass es weltweit einen allgemeinen Mangel an Quantentalenten gebe und dass Unternehmen enger mit Universitäten zusammenarbeiten müssten, um bereits auf der Hochschulstufe entsprechende Talente heranzuziehen. So besteht beispielsweise im Bereich des Quantencomputings dringender Bedarf an Physiktalenten für die entsprechende Hardwareforschung und -entwicklung, und auch in den Bereichen Mathematik und Informatik besteht Bedarf.

„Unsere größte Schwierigkeit im Moment ist der Mangel an Talent!“ He Yu sagte, es würden nicht nur Talente in der Quantentheorie benötigt, sondern auch Instrumententechnik, Optiktechnik, Mikrowellentechnik, Algorithmentechnik usw.

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„Begriffsverfälschung“, „Übertreibung“ und „wissenschaftliche Zweifel“

Neben den Herausforderungen hat der wachsende Einfluss der Quantentechnologie auch einige „konzeptionelle“ Produkte sowie unprofessionelle „akademische Zweifel“ und übertriebene Interpretationen hervorgerufen, die Aufmerksamkeit erregen sollen.

„Quantenenergiewellen schwingen harmonisch mit der menschlichen Bioelektrizität mit und pflegen empfindliche Haut tiefenwirksam.“ „Durch die Nutzung des Prinzips der Quantenverschränkung können Nutzpflanzen mehr Dünger aufnehmen und Schädlinge können keine Eier legen.“ „Die Welle-Teilchen-Dualität der Quanten ist Yin und Yang, was Feng Shui wissenschaftlich erklärt.“ … Der Reporter stellte fest, dass im vergangenen Jahr in China mehr als 2.000 „Quantenunternehmen“ verschiedener Art entstanden sind, die die Prinzipien der Quantenmechanik mit traditionellen Branchen wie der Kosmetik-, Landwirtschafts-, Lebensmittel-, Bekleidungs- und Automobilindustrie „verknüpfen“.

Experten gehen davon aus, dass diese Unternehmen die Quantentechnologie nicht industrialisieren, sondern „Pseudo-Innovatoren“ sind, die versuchen, aus dem Trend Kapital zu schlagen. „Bislang hat die Quantentechnologie noch keine Produkte hervorgebracht, die der Durchschnittsbürger nutzen kann, und das wird auch nicht in kurzer Zeit möglich sein. Es ist unmöglich, schnell ein Niveau zu erreichen, das es ermöglicht, Tausende von Haushalten zu erreichen“, sagte Guo Guangcan.

Experten zufolge hängt die Identifizierung, ob ein Produkt Quantentechnologie nutzt, davon ab, ob es Quantenkohärenz, Quantensuperposition und andere Eigenschaften nutzt. Wenn dies nicht der Fall ist, dann wird einfach nur das Konzept ausgenutzt. Um es deutlicher auszudrücken: Die Quantentechnologie wird derzeit noch nicht im Leben der Menschen eingesetzt.

Gleichzeitig hat die Quantentechnologie auch in der öffentlichen Meinung zu polarisierten Bewertungen geführt. Es gibt sowohl maßlose Übertreibungen wie etwa „Quantencomputer werden bald elektronische Computer ersetzen“ und „Quantenkommunikation ist schneller als die Lichtgeschwindigkeit, selbst Einstein war überrascht“, als auch völlige Dementis wie etwa „Quantencomputing ist Betrug“ und „Quantenkommunikation ist ein nutzloser Schwindel“, die in der Öffentlichkeit Verwirrung und ideologische Verwirrung gestiftet haben.

Um Überinterpretationen zu vermeiden, verwenden wir bei der Veröffentlichung von Informationen neutralere Ausdrücke. Beispielsweise verwenden wir „Quantenüberlegenheit“ anstelle von „Quantenhegemonie“ und verwenden den Begriff „Quantencomputer-Prototyp“, um zu betonen, dass sich der Computer noch im experimentellen Forschungsstadium befindet und noch weit von der praktischen Anwendung entfernt ist. Ein Wissenschaftler aus dem Team des Akademiemitglieds Pan Jianwei erklärte gegenüber Reportern, dass im Prozess der Informationsverbreitung einige Medien und persönliche öffentliche Konten jedoch immer noch „Öl ins Feuer gießen“.

„Quantencomputer sind definitiv eine wichtige Richtung für die Zukunft, aber sie werden verwendet, um spezifische Probleme zu lösen, die für elektronische Computer schwierig zu lösen sind. Sie können nicht alle Probleme beschleunigen. Sie ergänzen elektronische Computer und sind kein Ersatz.“ Duan Luming, Yao Qizhi-Lehrstuhlprofessor an der Tsinghua-Universität, und viele andere Experten sagten, dass Quantentechnologie objektive und rationale Erkenntnis erfordert.

„Die Quantentechnologie ist wie ein Baby. Sie hat in der Zukunft unendliche Möglichkeiten, ist jetzt aber nicht stark genug und kann nicht ‚alle Krankheiten heilen‘“, sagte He Yu.

„Das grundlegendste Kriterium zur Identifizierung von Zweifeln an der Quantentechnologie ist, ob diese in einer von Experten begutachteten wissenschaftlichen Zeitschrift veröffentlicht wurde.“ Yuan Lanfeng, stellvertretender Direktor des Forschungszentrums für Wissenschaftskommunikation der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, sagte, dass viele Arbeiten von Quantentechnologieexperten meines Landes in führenden internationalen Fachzeitschriften veröffentlicht worden seien, während Artikel gegen die Quantentechnologie allesamt Online-Artikel seien und keiner von ihnen in wissenschaftlichen Zeitschriften erschienen sei. Der Grund dafür ist, dass diese Artikel wissenschaftliche Fehler enthalten und die Prüfung nicht bestehen.

Viele Wissenschaftler haben analysiert, dass es in den letzten Jahren immer mehr Stimmen gab, die das Quantencomputing in China in Frage stellten. Einer der Gründe dafür ist, dass die Quantentheorie tiefgründig und schwer zu verstehen ist und dass Eigenschaften wie Quantenverschränkung und Quantenüberlagerung im Widerspruch zur alltäglichen Erfahrung stehen, was die Menschen leicht misstrauisch macht. Auf einer tieferen Ebene ist die Quantentechnologie noch nicht so weit entwickelt, dass sie in der breiten Masse Anwendung finden kann, und die aufkommenden Zweifel können als ein Gefühl der Besorgnis, Angst und Sorge verstanden werden.

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Die Zukunft ist unbegrenzt

Das Quantenzeitalter hat bereits begonnen. Um die Entwicklung der Quantentechnologie zu beschleunigen, ist die Bildung gemeinsamer Kräfte und gemeinsamer Anstrengungen dringend erforderlich.

„Um die Entwicklung der ‚zweiten Quantenrevolution‘ anzuführen, können wir keine ‚Guerillas‘ sein, wir müssen eine ‚Gruppenarmee‘ organisieren.“ Guo Guangcan sagte, dass die Quantencomputerindustrie Hardware, Software, Standards, Ingenieurtechnologie, Benutzergewohnheiten und andere Aspekte umfasst und staatliche Unterstützung, wissenschaftliche Forschungseinrichtungen, Unternehmenskooperationen und sogar die Aufmerksamkeit der breiten Öffentlichkeit erfordert.

Der aktuelle neue Trend besteht offenbar darin, dass einige Länder multinationale Technologieallianzen bilden, um gemeinsam die Entwicklung der Quantentechnologie voranzutreiben. Auf dem G7-Gipfel im Juni dieses Jahres kündigten sieben Länder, darunter die USA, Großbritannien, Japan, Kanada und Italien, die gemeinsame Entwicklung eines satellitengestützten Quantenverschlüsselungsnetzwerks an – das „Federated Quantum System“ (FQS). Sie werden Ressourcen und Mittel zur Förderung gemeinsamer Forschung koordinieren und planen, im Jahr 2023 den ersten FQS-Satelliten zu starten.

Gleichzeitig wurden auf internationaler Ebene zahlreiche Branchenallianzen im Bereich der Quantentechnologie gegründet. Beispielsweise hat IBMs „QNetwork“ mehr als 100 Mitglieder aus Universitäten, Laboren und verschiedenen Branchen wie der Luftfahrt, der Automobilindustrie sowie dem Bank- und Finanzwesen, die gemeinsam die Entwicklung und Anwendung des Quantencomputings vorantreiben.

„Die Quantentechnologie erfordert die Zusammenarbeit einer großen Zahl von Unternehmen vom Labor bis hin zu Marktanwendungsszenarien. Derzeit haben auch inländische Unternehmen wie Benyuan Quantum eine Branchenallianz gebildet, und wir hoffen, weiter zu wachsen und uns weiterzuentwickeln.“ Sagte Guo Guoping.

Ying Yong ist der Ansicht, dass das Land die Bildung eines „Quantum+“-Industrieökosystems beschleunigen sollte. „Beispielsweise gilt in der Quantenkommunikationsbranche: Je dichter das Netzwerk, desto größer der Wert, was wiederum zu mehr Anwendungsentwicklung und mehr Benutzergruppen führen wird.“

Es wird davon ausgegangen, dass Städte wie Hefei, Jinan und Wuhan in den letzten Jahren erstmals Quantenkommunikationsnetze aufgebaut haben. Vor Kurzem wurde mit dem Aufbau einer neuen Generation des „Hefei Quantum Metropolitan Area Network“ begonnen, das gemeinsam von der Stadtverwaltung Hefei, China Telecom und Guodun Quantum entwickelt wurde. Es umfasst 8 Kernnetzknoten und 159 Zugangsnetzknoten. Die Gesamtlänge des Glasfasernetzes beträgt 1.067 Kilometer und wird Verbindungen zu Regierungsangelegenheiten, dem Finanzwesen, der medizinischen Versorgung und anderen Branchen herstellen.

Der Schlüssel zur Entwicklung der Quantentechnologie als bedeutender disruptiver Innovation liegt im Talent.

Die zuständigen US-Regierungsbehörden haben vorgeschlagen, Kurse in Quanteninformationswissenschaft in das Bildungssystem vom Kindergarten bis zur High School aufzunehmen, und die Harvard University hat einen Studiengang in Quantenwissenschaft und -technik eingeführt. In China wurde der University of Science and Technology of China in diesem Jahr die Einrichtung eines neuen Bachelorstudiengangs in Quanteninformationswissenschaft und eines Doktorandenprogramms in Quantenwissenschaft und -technologie genehmigt.

Viele Wissenschaftler haben vorgeschlagen, mehr Universitäten dabei zu unterstützen und zu ermutigen, Studiengänge im Bereich Quantentechnologie anzubieten und mehr Quantentalente in Disziplinen wie Physik, Mathematik, Information, Instrumente und Materialien zu fördern. Duan Luming stellte vor, dass die Tsinghua-Universität derzeit einen Grundstudiengang im Bereich Quanteninformation eingerichtet hat, der eine interdisziplinäre Lehrmethode verwendet, um es den Studenten zu ermöglichen, ein Wissensgerüst von den Grundlagen bis hin zu den Anwendungen aufzubauen. „Chinas Quantentechnologie entwickelt sich sehr schnell und der Umfang der Ausbildung sollte weiter ausgebaut werden, um genügend Talente für die wissenschaftliche Forschung und Unternehmen bereitzustellen.“

Die China Academy of Information and Communications Technology prognostiziert, dass in den nächsten fünf Jahren Quantencomputer auf der Grundlage rauscharmer mittelgroßer Quantenprozessoren entstehen könnten, kombiniert mit Cloud-Plattformen, um Anwendungsfälle mit praktischem Wert zu erkunden. Bei der Quantenkommunikation wird der Schwerpunkt auf Schlüsseltechnologien und Basiskomponenten von Quanteninformationsnetzwerken liegen, es werden Experimente mit Netzwerkprototypen durchgeführt und schrittweise der Aufbau eines Standardsystems vorangetrieben. Darüber hinaus werden weiterhin kommerzielle Szenarien für eine sichere Quantenkommunikation untersucht. Man geht davon aus, dass die Quantenpräzisionsmessung als erste den Durchbruch in Anwendungen der neuen Generation von Positionierungs-, Navigations- und Zeitmesssystemen, Messsystemen für schwache Magnetfelder und Schwerkraftfelder, hochempfindlichen Bildgebungssystemen und anderen Bereichen erzielen wird.

Während sich die Quantentechnologie schnell entwickelt, müssen wir auch erkennen, dass ihre Entwicklungs- und Anwendungsaussichten immer noch langfristige Auswirkungen und Unsicherheiten haben. Dr. Lai Junsen vom Institute of Technology and Standards der China Academy of Information and Communications Technology führte am Beispiel des Quantencomputings aus, dass die Schwelle fehlerkorrigierbarer logischer Quantenbits noch nicht überschritten sei, groß angelegtes allgemeines Quantencomputing noch ein langfristiges Ziel sei und sich die Systemarchitektur und das Softwaresystem des Quantencomputings noch in der anfänglichen Erkundungsphase befänden. Die Anforderungen an die Arbeitsumgebung sind nach wie vor sehr streng. Mehrere technische Ansätze wie Supraleitung, Photonen, Ionenfallen, Halbleiter und Topologie entwickeln sich parallel. Welche Route sich in Zukunft „durchsetzen“ wird, ist noch nicht bekannt.

"Quantentechnologie hat eine glänzende Zukunft, aber sie ist keineswegs eine einfache Straße. Wir müssen den gleichen wissenschaftlichen Geist haben wie beim Entwickeln der 'zwei Bomben und eines Satelliten'. Guo Guangcan und viele andere Experten betonten, dass wir nur durch keine Angst vor Schwierigkeiten und Hindernissen einen neuen "Quantengipfel" erreichen können, die Kommandohöhen nutzen und neue Vorteile aufbauen können.

Zhu Xiaobo sagte, die Quantentechnologie sei ein wichtiges Kerntechnologiebereich, das die Zukunft der Menschheit betrifft, und er hofft, dass mehr junge Menschen mit Weisheit und Mut eintreten werden. "Wenn wir uns tapfer in das unbekannte Gebiet der wissenschaftlichen Forschung und der Industrie wagen und 10 bis 15 Jahre hart arbeiten, werden wichtigere Ergebnisse auftreten", sagte er.