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L'uomo che ha trasformato la Cina in una superpotenza quantistica
Jian-Wei Pan, il padre cinese del quantum, sta guidando la sua spinta verso la leadership globale nelle tecnologie che potrebbero cambiare interi settori. 19 dicembre 2018
Fotografia di Jian-Wei Pan Noè Sheldon
Il 29 settembre 2017 un satellite cinese noto come Micius ha reso possibile una videoconferenza non hackerabile tra Vienna e Pechino, due città distanti mezzo mondo. Mentre attraversava il cielo notturno a 18.000 miglia (29.000 chilometri) all'ora, il satellite ha trasmesso un piccolo pacchetto di dati a una stazione di terra a Xinglong, un paio d'ore di auto a nord-est di Pechino. Meno di un'ora dopo, il satellite ha sorvolato l'Austria e ha inviato un altro pacchetto di dati a una stazione vicino alla città di Graz.
I pacchetti erano chiavi di crittografia per proteggere le trasmissioni di dati. Ciò che ha reso questo evento così speciale è stato che le chiavi distribuite dal satellite sono state codificate in fotoni in un delicato stato quantistico. Qualsiasi tentativo di intercettarli avrebbe fatto crollare quello stato, distruggendo le informazioni e segnalando la presenza di un hacker. Ciò significa che erano molto più sicuri delle chiavi inviate come bit classici: un flusso di impulsi elettrici o ottici che rappresentano uno sabbia 0 s che possono essere letti e copiati.
Questa storia faceva parte del nostro numero di gennaio 2019
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La crittografia video era convenzionale, non quantistica, ma poiché le chiavi quantistiche erano necessarie per decrittografarla, la sua sicurezza era garantita. Questo lo ha reso il primo collegamento video intercontinentale con crittografia quantistica al mondo.
L'uomo dietro questo risultato è Jian-Wei Pan. Professore all'Università della Scienza e della Tecnologia della Cina (USTC), a volte noto come il Caltech cinese, Pan, 48 anni, ha prodotto una serie di scoperte che lo hanno portato alla celebrità scientifica nel paese. Il suo lavoro ha ottenuto il plauso del presidente Xi Jinping e viene spesso definito dai media locali il padre del quantum.
Le comunicazioni quantistiche e l'informatica sono ancora nascenti, ma sono tra i megaprogetti tecnologici su cui il governo cinese vuole innovazioni entro il 2030. Vede un'opportunità per guidare l'alba dell'era quantistica più o meno allo stesso modo in cui gli Stati Uniti hanno dominato l'avvento dell'informatica e dell'informazione rivoluzione che ha scatenato.
Pan, che nel 2011 è diventato il membro più giovane in assoluto dell'Accademia cinese delle scienze, è al centro di questo sforzo.
In un'intervista con il MIT Technology Review, Pan ha parlato dell'importanza della collaborazione internazionale, ma ha anche chiarito che la Cina vede una finestra unica per plasmare il prossimo meta-cambiamento nel panorama tecnologico. Eravamo solo il seguace e lo studente alla nascita della moderna scienza dell'informazione, ha detto. Ora abbiamo la possibilità... di essere un leader.
Le ambizioni di Pan includono un piano per creare una costellazione di satelliti che abbraccia il globo e costituisce un Internet quantistico super sicuro. Anche nella sua lista di controllo: aiutare la Cina a raggiungere, e forse a superare, gli Stati Uniti nella costruzione di potenti computer quantistici. Le unità di calcolo fondamentali in queste macchine sono i qubit, che, a differenza dei bit, possono occupare uno stato quantistico di uno e 0 contemporaneamente. Collegando i qubit attraverso un fenomeno quasi mistico noto come entanglement, i computer quantistici possono generare aumenti esponenziali della potenza di elaborazione.
In futuro, le macchine potrebbero essere utilizzate per scoprire nuovi materiali e farmaci eseguendo simulazioni di reazioni chimiche che sono troppo impegnative per i computer classici. Potrebbero anche potenziare l'intelligenza artificiale. Le reti sicure che utilizzano la distribuzione della chiave quantistica (QKD) potrebbero trasmettere dati sensibili per cose come le transazioni finanziarie e fornire la massima segretezza per le operazioni e le comunicazioni militari. I ricercatori stanno anche lavorando su sensori quantistici che consentirebbero ai sottomarini di navigare senza fare affidamento sui segnali satellitari e su radar quantistici che potrebbero essere in grado di individuare velivoli stealth.
L'immagine del ricevitore mostra un laser spotting utilizzato per aiutare il satellite a connettersi alla stazione di terra.
Sforzi comuni
Nonostante l'intensa competizione USA-Cina nelle tecnologie quantistiche, la videochiamata resa possibile dal satellite Micius, dal nome di un antico scienziato e filosofo cinese, è in gran parte il risultato della cooperazione internazionale.
È nato da una collaborazione tra un team guidato da Pan e un altro guidato da Anton Zeilinger, un fisico quantistico dell'Accademia austriaca delle scienze. Zeilinger è stato il supervisore del dottorato di Pan negli anni '90 e ha visto del potenziale nel giovane studente cinese. Quando è venuto qui, era concentrato al cento per cento sulla fisica teorica, ricorda Zeilinger. Ma ho capito che poteva fare di più, quindi gli ho suggerito di passare agli esperimenti, e lo ha fatto con molto successo.
Tanto successo, infatti, che Zeilinger è stato fin troppo felice quando il suo ex studente ha proposto una collaborazione sulla QKD intercontinentale nel 2011. Il team di Pan aveva già condotto esperimenti per un certo numero di anni per dimostrare che un sistema basato sullo spazio poteva funzionare, e alla fine ha ottenuto il via libera del governo cinese alla costruzione di un satellite dedicato, lanciato nel 2016.
Far funzionare la QKD a terra è già abbastanza difficile. Farlo da un satellite significava risolvere una serie di problemi extra, dall'allineamento preciso delle trasmissioni del satellite con le stazioni di terra alla riduzione al minimo del numero di fotoni persi nell'atmosfera. Gli osservatori sono rimasti colpiti, dice Hoi-Kwong Lo, professore di fisica all'Università di Toronto. Aggiunge: C'è un'enorme quantità di risorse dedicate al quantum in Cina, il che significa che possono fare cose che altri paesi non possono fare.
Pan prevede un giorno in cui i data center in diversi continenti saranno collegati tramite i satelliti quantistici che sta pianificando.
Gli altri successi della Cina includono la costruzione della rete QKD terrestre più lunga del mondo. Anche il collegamento terrestre di 2.032 chilometri (1.263 miglia) tra Pechino e Shanghai è stato ideato da Pan e invia chiavi con crittografia quantistica tra le stazioni intermedie, offrendo una rete ultra sicura per la trasmissione di dati finanziari e altri dati sensibili. Alcune città cinesi stanno anche costruendo reti municipali.
Misurare esattamente quanto la Cina sta investendo in questi e altri progetti quantistici è difficile perché i finanziamenti per i programmi governativi sono opachi. Ma Pan afferma che il denaro destinato a un imminente piano quantistico nazionale per la Cina sarà almeno dello stesso ordine di grandezza del progetto Quantum Technologies Flagship lanciato dall'Europa, un'iniziativa decennale da 1 miliardo di euro (1,1 miliardi di dollari).
Mentre i soldi contano, c'è di più nel successo della Cina oltre al finanziamento di satelliti e altri progetti. Il paese beneficia anche di una strategia decennale di inviare giovani ricercatori all'estero per imparare da esperti come Zeilinger e poi invitarli a casa per continuare il loro lavoro.
La Cina sta producendo molti documenti scientifici quantistici di alta qualità e anche il numero di brevetti cinesi registrati in aree come le comunicazioni quantistiche e la crittografia quantistica è aumentato vertiginosamente, superando di gran lunga quelli registrati negli Stati Uniti e altrove.
Per aiutare a sviluppare futuri ricercatori quantistici, il paese sta costruendo un laboratorio nazionale per le scienze dell'informazione quantistica da 1 miliardo di dollari a Hefei che aprirà nel 2020; riunirà esperti di una vasta gamma di discipline come fisica, ingegneria elettrica e scienza dei materiali. Parte del denaro sarà destinato a un nuovo campus USTC nello stesso sito per formare ricercatori quantistici. Stiamo lavorando duramente per sviluppare la forza lavoro del futuro nella tecnologia quantistica, afferma Pan.
Ha già creato un centro per l'informazione quantistica e la fisica quantistica presso l'USTC. Nel giugno 2018 una squadra al centro ha annunciato di aver stabilito un record mondiale per l'entanglement di qubit, collegandone 18 insieme. Avanzamenti come questo ci porteranno più vicini al punto in cui una macchina quantistica sarà finalmente in grado di superare anche il più potente supercomputer convenzionale per determinati compiti.
Ci sono anche piani ambiziosi per aumentare gli sforzi nello spazio. Pan afferma che nei prossimi quattro o cinque anni, la Cina lancerà altri quattro satelliti quantistici a orbita bassa e poco dopo ne seguirà uno geostazionario a orbita alta. La visione a lungo termine è quella di creare un Internet a protezione quantistica che abbraccia il continente che potrebbe eclissare la versione odierna. Guardando molto più avanti, la tecnologia potrebbe un giorno essere utilizzata per proteggere qualsiasi cosa, dagli smartphone ai laptop.
Jian-Wei Pan, in piedi di fronte a un ricevitore utilizzato nella trasmissione di segnali ultra sicuri dal satellite Micius, ha contribuito a guidare gli sforzi quantistici della Cina.
Leader e ritardatario
Quindi la Cina è davvero destinata a dominare l'emergente era quantistica? E cosa farà con quel dominio se è così?
La risposta alla prima di queste domande è sfumata. Mentre Micius e le reti QKD a terra offrono alla Cina il vantaggio, per ora, nelle comunicazioni quantistiche sicure, è ancora dietro agli Stati Uniti nell'informatica quantistica. Tuttavia, come dimostra il successo della squadra di Pan con i qubit aggrovigliati, sta facendo rapidi progressi. Anche le grandi aziende tecnologiche cinesi come Alibaba e Baidu stanno investendo molto nell'informatica quantistica. Alibaba ha lanciato un servizio di cloud computing che consente alle persone di sperimentare su processori quantistici, rispecchiando sforzi simili da parte di aziende statunitensi come IBM e Rigetti.
Isaac Chuang, professore del MIT e pioniere dell'informatica quantistica, osserva che uno dei motivi per cui la Cina ha fatto così bene nella scienza quantistica è lo stretto coordinamento tra i suoi gruppi di ricerca governativi, l'Accademia cinese delle scienze e le università del paese. L'Europa ora ha il proprio piano generale quantistico per stimolare tali collaborazioni, ma gli Stati Uniti sono stati lenti nel produrre una strategia globale per lo sviluppo delle tecnologie e la creazione di una futura forza lavoro quantistica.
Qualunque cosa accada altrove, la Cina andrà avanti. Pan enfatizza le opportunità commerciali. Le aziende stanno già utilizzando la rete Pechino-Shanghai per spedire le informazioni in modo sicuro. E prevede un giorno in cui i data center in diversi continenti saranno collegati tramite la costellazione di satelliti quantistici che sta progettando.
Quei satelliti, ovviamente, potrebbero essere utilizzati anche per scopi militari. Elsa Kania del Center for a New American Security, un think tank di Washington, DC, afferma che varie parti delle forze armate cinesi stanno finanziando la ricerca su comunicazioni quantistiche, sensori e radar. Grandi aziende come China Shipbuilding Industry Corporation, uno dei maggiori costruttori di navi da guerra e sottomarini del paese, stanno lavorando con le università su progetti quantistici. Se la Cina pensasse che la tecnologia potrebbe darle un vantaggio militare, potrebbe ritirarsi dalle collaborazioni internazionali e tenere per sé le innovazioni.
Una visione più ottimistica vede la Cina rimanere aperta al tipo di interscambi che l'hanno aiutata a trasformarla in una superpotenza quantistica e fare del suo meglio per trarre profitto da una nuova economia dei dati di ispirazione quantistica. L'idea che la Cina possa prendere il comando qui sembra ispirare i suoi alti funzionari: Xi Jinping ha persino parlato pubblicamente della scienza quantistica che apre una nuova rivoluzione industriale.
Qualunque sia lo scenario alla fine, la Cina conterà molto sul padre del quantistico per guidarlo verso il successo.
Correzione: una versione precedente di questo articolo affermava che Anton Zeilinger è un fisico quantistico presso l'Università dell'Austria. È infatti all'Accademia austriaca delle scienze.