نتحدث عن المتطلبات الأساسية ونقدم آراء الخبراء.
/ صورة CC BY-ND
لماذا هناك حاجة للهيليوم في أجهزة الكمبيوتر الكمومية؟
قبل الانتقال إلى قصة نقص الهيليوم، دعونا نتحدث عن سبب حاجة أجهزة الكمبيوتر الكمومية إلى الهيليوم في المقام الأول.
تعمل الآلات الكمومية على الكيوبتات. وهي، على عكس البتات الكلاسيكية، يمكن أن تكون في الحالتين 0 و1 في نفس الوقت - في حالة تراكب. في نظام الحوسبة، تحدث ظاهرة التوازي الكمي عندما يتم تنفيذ العمليات في وقت واحد مع صفر وواحد. تسمح هذه الميزة للآلات المعتمدة على الكيوبت بحل بعض المشكلات بشكل أسرع من أجهزة الكمبيوتر التقليدية، مثل محاكاة التفاعلات الجزيئية والكيميائية.
ولكن هناك مشكلة: الكيوبتات هي كائنات هشة ولا يمكنها الحفاظ على التراكب إلا لبضعة نانو ثانية. يتم تعطيله حتى من خلال تقلبات طفيفة في درجات الحرارة ؛ ما يسمى . لتجنب تدمير الكيوبت، يجب استخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية عند درجات حرارة منخفضة - 10 مللي كلفن (-273,14 درجة مئوية). لتحقيق درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق، تستخدم الشركات الهيليوم السائل، أو بشكل أكثر دقة، أحد النظائر والتي لا تتصلب في مثل هذه الظروف القاسية.
ما المشكلة
في المستقبل القريب، قد تواجه صناعة تكنولوجيا المعلومات نقصًا في الهيليوم 3 لتطوير أجهزة الكمبيوتر الكمومية. على الأرض، لا توجد هذه المادة عمليا في شكلها الطبيعي - حجمها موجود في الغلاف الجوي للكوكب (1,37 جزء في المليون نسبة إلى الهليوم -4). الهيليوم -3 هو منتج اضمحلال التريتيوم، الذي يتم إنتاجه (تم إغلاق آخر مفاعل نووي للمياه الثقيلة في الولايات المتحدة الأمريكية). بعد ذلك، بدأ استخراج التريتيوم من مكونات الأسلحة النووية التي تم إيقاف تشغيلها، ولكن وبحسب خدمة أبحاث الكونغرس الأميركي، فإن هذه المبادرة لم تؤدي إلى زيادة كبيرة في مخزون المادة الاستراتيجية. روسيا والولايات المتحدة لديها بعض الاحتياطيات، ولكن .
ويتفاقم الوضع بسبب إنفاق جزء كبير إلى حد ما من الهيليوم 3 على إنتاج الماسحات الضوئية النيوترونية المستخدمة عند نقاط التفتيش الحدودية للبحث عن المواد المشعة. أصبح الماسح النيوتروني أداة إلزامية في جميع مكاتب الجمارك الأمريكية منذ عام 2000. وبسبب عدد من هذه العوامل، فإن إمدادات الهليوم 3 في الولايات المتحدة تخضع بالفعل لسيطرة الوكالات الحكومية التي تصدر حصصًا للمؤسسات العامة والخاصة، ويشعر خبراء تكنولوجيا المعلومات بالقلق من أنه لن يكون هناك قريبًا ما يكفي من الهليوم 3 للجميع.
ما مدى سوء الأمر؟
ويعتقد أن نقص الهيليوم 3 سيكون له تأثير سلبي على التطورات الكمومية. بليك جونسون، نائب رئيس شركة ريجيتي للحوسبة الكمومية، في مقابلة مع إم آي تي تيك ريفيو من الصعب للغاية الحصول على هذا المبرد. وتتفاقم المشاكل بسبب تكلفتها العالية - حيث تبلغ تكلفة ملء وحدة تبريد واحدة 40 ألف دولار.
لكن ممثلي شركة D-Wave، وهي شركة ناشئة أخرى تعمل في مجال الكم، لا يتفقون مع رأي بليك. بواسطة نائب رئيس المنظمة، إنتاج حاسوب كمي واحد لا يتطلب سوى كمية صغيرة من الهيليوم-3، والتي يمكن وصفها بأنها غير ذات أهمية مقارنة بالحجم الإجمالي المتاح للمادة. ولذلك، فإن النقص في مواد التبريد سيكون غير مرئي للصناعة الكمومية.
بالإضافة إلى ذلك، يجري حاليًا تطوير طرق أخرى لاستخراج الهيليوم 3 لا تتضمن التريتيوم. أحدها هو استخراج النظير من الغاز الطبيعي. أولا، يخضع للتكثيف العميق عند درجات حرارة منخفضة، ثم يمر بعمليات الفصل والتصحيح (فصل الشوائب الغازية). في السابق، كان هذا النهج يعتبر غير مجد اقتصاديا، ولكن مع تطور التكنولوجيا تغير الوضع. في العام الماضي عن خططه لبدء إنتاج الهيليوم 3 .
يقوم عدد من الدول بوضع خطط لاستخراج الهيليوم 3 على القمر. تحتوي الطبقة السطحية له على ما يصل إلى (الجدول 2) من هذه المادة. ويقدر العلماء أن المورد سوف يستمر لمدة خمسة آلاف سنة. بدأت ناسا بالفعل في الإنشاء تلك إعادة التدوير إلى الهليوم -3. يجري تطوير البنية التحتية الأرضية والقمرية المقابلة и . ولكن لن يكون من الممكن تنفيذها عمليا حتى عام 2030.
هناك طريقة أخرى لمنع نقص الهيليوم 3 وهي إيجاد بديل له في إنتاج الماسحات الضوئية النيوترونية. بالمناسبة، لها وفي عام 2018 - أصبحت بلورات من كبريتيد الزنك وفلوريد الليثيوم 6. إنها تتيح تسجيل المواد المشعة بدقة تتجاوز 90%.
/ صورة CC BY-ND
مشاكل "كمية" أخرى
إلى جانب نقص الهيليوم، هناك صعوبات أخرى تعرقل تطوير أجهزة الكمبيوتر الكمومية. الأول هو عدم وجود مكونات الأجهزة. لا يزال هناك عدد قليل من الشركات الكبرى في العالم تعمل على تطوير "الحشو" للآلات الكمومية. في بعض الأحيان تضطر الشركات إلى الانتظار حتى يتم تصنيع نظام التبريد، .
ويحاول عدد من البلدان حل المشكلة من خلال البرامج الحكومية. وقد تم بالفعل إطلاق مثل هذه المبادرات في الولايات المتحدة وأوروبا. على سبيل المثال، بدأت شركة Delft Circuits في العمل مؤخرًا في هولندا، بدعم من وزارة الاقتصاد. وتنتج مكونات لأنظمة الحوسبة الكمومية.
صعوبة أخرى هي عدم وجود المتخصصين. الطلب عليها آخذ في الازدياد، ولكن العثور عليها ليس بالأمر السهل. بواسطة نيويورك تايمز، لا يوجد أكثر من ألف "مهندس كم" من ذوي الخبرة في العالم. الجامعات التقنية الرائدة تحل المشكلة. على سبيل المثال، في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بالفعل البرامج الأولى لتدريب المتخصصين على العمل مع الآلات الكمومية. تطوير البرامج الأكاديمية ذات الصلة وفي مبادرة الكم الوطنية الأمريكية.
بشكل عام، خبراء تكنولوجيا المعلومات مقتنعون بأن المشاكل التي تواجه منشئي أجهزة الكمبيوتر الكمومية يمكن التغلب عليها بالكامل. وفي المستقبل يمكننا أن نتوقع اختراقات تكنولوجية جديدة في هذا المجال.
ما نكتب عنه في المدونة الأولى عن IaaS للمؤسسات:
المصدر: www.habr.com