🥇Недостигът на хелий може да забави развитието на квантовите компютри — обсъждаме ситуацията

Разказваме за предпоставките и даваме мнения на експерти.

/ фото IBM Research CC BY-ND

Защо е необходим хелий в квантовите компютри

Преди да преминем към разказа за ситуацията с недостига на хелий, нека поговорим за това защо изобщо квантовите компютри се нуждаят от хелий.

Квантовите машини оперират с кубити. Те, за разлика от класическите битове, могат да се намират в състояния 0 и 1 едновременно — в суперпозиция. В изчислителната система възниква явлението квантов паралелизъм, когато операциите се извършват едновременно с нула и единица. Тази особеност позволява на машините на база кубити да решават определени задачи по-бързо от класическите компютри — например, да моделират молекулни и химически реакции.

Но тук се появява проблем: кубитите са крехки обекти и могат да поддържат суперпозиция само за няколко наносекунди. Дори малко колебание в температурата я нарушава, което води до т.нар. декогеренция. За да избегнат разрушаването на кубитите, квантовите компютри трябва да работят при ниски температури — 10 мК (–273,14°C). За да постигнат температури, близки до абсолютната нула, компаниите използват течен хелий, а по-точно, изотопа хелий-3, който не замръзва в такива екстремни условия.

В какво е проблемът

В близко бъдеще ИТ индустрията може да се сблъска с недостиг на хелий-3 за разработване на квантови компютри. На Земята това вещество практически не се среща в естествения си вид — неговият обем в атмосферата на планетата възлиза на едва 0,000137% (1,37 части на милион спрямо хелий-4). Хелий-3 е продукт на разпада на тритий, производството на който спрели през 1988 година (в САЩ бе затворен последният тежководен ядрени реактор). След тритий започнаха да го извличат от съставки на съществуващи ядрени оръжия, но според данните Изследователската служба на Конгреса на САЩ, тази инициатива не е позволила значително да се увеличат резервите на стратегическото вещество. Русия и САЩ имат някои запаси от него, но те се изчерпват..

Ситуацията се усложнява от факта, че значителна част от хелий-3 се използва за производството на неутронни скенери, които се използват на гранични пунктове за откриване на радиоактивни материали. Неутронният скенер е задължителен инструмент на всички американски митници от 2000 година. Поради редица фактори, в САЩ доставките на хелий-3 вече се контролират от правителствени органи, които разпределят квоти на държавни и частни организации, а ИТ експертите се притесняват, че скоро хелий-3 ще започне да не достига на всички желаещи.

Колко е лошо всичко

Смята се, че недостигът на хелий-3 ще окаже негативно влияние върху квантовите разработки. Блейк Джонсън (Blake Johnson), вицепрезидент на компанията-производител на квантови компютри Rigetti Computing, в интервю за MIT Tech Review споделился, че охладителят е изключително труден за набавяне. Проблемите се усложняват от високата му цена – за запълване на едно охладително устройство са необходими 40 хиляди долара.

Но представителите на D-Wave, друга компания за квантови технологии, не са съгласни с мнението на Блейк. Според думите на вицепрезидента на организацията, за производството на един квантов компютър се използва само малко количество хелий-3, което може да се определи като незначително в сравнение с общия наличен обем на веществото. Затова недостигът на охладителя ще бъде незабележим за квантовата индустрия.

Освен това днес се проучват и други методи за добив на хелий-3, които не са свързани с трития. Един от тях е извличането на изотопа от природен газ. Първо той преминава през дълбока кондензация при ниски температури, а след това преминава през процеси на сепарация и ректификация (разделяне на газови примеси). По-рано този подход се считаше за икономически нецелесъобразен, но с развитието на технологиите ситуацията се е променила. Миналата година обявиха плановете си да започнат добив на хелий-3 в "Газпром".

Няколко държави планират добив на хелий-3 на Луната. В нейния повърхностен слой се съдържат до 2,5 млн. тона (таб. 2) от това вещество. Според оценките на учените, ресурсът ще бъде достатъчен за пет хиляди години. В NASA вече започнаха да създават проекти за установки, които преобразуват реголит в хелий-3. Разработването на съответната земна и лунна инфраструктура се осъществява от Индия и Китай. Но реализацията на практика няма да е възможна преди 2030 година.

Друг начин за предотвратяване на недостиг на хелий-3 е да се намери заместител за него в производството на неутронни скенери. Между другото, той вече беше открит през 2018 година — това са кристали на цинков сулфид и литий-6 флуорид. Те позволяват регистриране на радиоактивни материали с точност, надвишаваща 90%.

/ фото IBM Research CC BY-ND

Други "квантови" проблеми

В допълнение към недостига на хелий, има и други трудности, които пречат на развитието на квантови компютри. Първата е недостигът на хардуерни компоненти. В света все още малко големи компании се занимават с разработването на "основните" части за квантовите машини. Понякога на компаниите им се налага да чакат, докато се изработи система за охлаждане, повече от година.

Няколко държави се опитват да решат проблема чрез държавни програми. Такива инициативи вече стартираха в САЩ и Европа. Например, съвсем наскоро в Нидерландия с подкрепата на Министерството на икономиката заработи компанията Delft Circuits. Тя се занимава с производство на компоненти за квантови изчислителни системи.

Още едно предизвикателство е недостигът на специалисти. Търсенето им расте, но не е лесно да се намерят. Според данните NYT, опитните "квантови инженери" по света не са повече от хиляда. Проблемът се решава от водещи технически университети. Например, в MIT вече създават първите програми за обучение на специалисти по работа с квантови машини. Разработването на съответните академични програми е в процес и в американската National Quantum Initiative.

Като цяло ИТ експертите са убедени, че проблемите, пред които са изправени създателите на квантови компютри, са напълно преодолими. И в бъдеще може да се очакват нови технологични пробиви в тази област.

За какво пишем в първия блог за корпоративен IaaS: