Недостигът на хелий може да забави развитието на квантовите компютри - обсъждаме ситуацията

Говорим за предпоставките и даваме експертни мнения.

/ снимка IBMResearch CC BY-ND

Защо е необходим хелий в квантовите компютри?

Преди да преминем към историята на ситуацията с недостига на хелий, нека поговорим защо квантовите компютри се нуждаят от хелий на първо място.

Квантовите машини работят върху кубити. Те, за разлика от класическите битове, могат да бъдат едновременно в състояния 0 и 1 - в суперпозиция. В изчислителната система феноменът на квантовия паралелизъм възниква, когато операциите се извършват едновременно с нула и единица. Тази функция позволява на базираните на qubit машини да решават някои проблеми по-бързо от класическите компютри, като например симулиране на молекулярни и химични реакции.

Но има проблем: кубитите са крехки обекти и могат да поддържат суперпозиция само за няколко наносекунди. Тя се нарушава дори от леки температурни колебания, т.нар декохерентност. За да се избегне унищожаването на qubit, квантовите компютри трябва да работя при ниски температури - 10 mK (-273,14°C). За да постигнат температури близки до абсолютната нула, компаниите използват течен хелий или по-точно изотоп хелий-3, който не се втвърдява при такива екстремни условия.

Какъв е проблемът

В близко бъдеще ИТ индустрията може да се сблъска с недостиг на хелий-3 за разработването на квантови компютри. На Земята това вещество практически никога не се среща в естествената си форма - обемът му е в атмосферата на планетата е само 0,000137% (1,37 ppm спрямо хелий-4). Хелий-3 е продукт на разпадане на тритий, производството на който спряно през 1988 г (последният тежководен ядрен реактор беше затворен в САЩ). След това тритий започна да се извлича от компоненти на изведени от експлоатация ядрени оръжия, но данни Според изследователската служба на Конгреса на САЩ тази инициатива не е увеличила значително запасите от стратегическо вещество. Русия и САЩ имат известни резерви, но те са към своя край.

Ситуацията се утежнява от факта, че доста значителна част от хелий-3 се изразходва за производството на неутронни скенери, използвани на граничните контролно-пропускателни пунктове за търсене на радиоактивни материали. Неутронният скенер е задължителен инструмент във всички американски митнически служби от 2000 г. насам. Поради редица от тези фактори доставките на хелий-3 в Съединените щати вече се контролират от правителствени агенции, които издават квоти на публични и частни организации, а IT експертите се притесняват, че скоро няма да има достатъчно хелий-3 за всички.

колко лошо е

Смята се, че недостигът на хелий-3 ще има отрицателно въздействие върху квантовите разработки. Блейк Джонсън, вицепрезидент на производителя на квантов компютър Rigetti Computing, в интервю за MIT Tech Review казахтози хладилен агент е невероятно труден за получаване. Проблемите се задълбочават от високата му цена - струва 40 XNUMX долара за пълнене на един хладилен агрегат.

Но представители на D-Wave, друг квантов стартъп, не са съгласни с мнението на Блейк. от според Вицепрезидент на организацията, производството на един квантов компютър изисква само малко количество хелий-3, което може да се нарече незначително в сравнение с общия наличен обем на веществото. Следователно недостигът на хладилен агент ще бъде невидим за квантовата индустрия.

Освен това днес се разработват други методи за извличане на хелий-3, които не включват тритий. Един от тях е извличането на изотопа от природен газ. Първо се подлага на дълбока кондензация при ниски температури и след това преминава през процесите на сепарация и ректификация (отделяне на газови примеси). Преди това този подход се смяташе за икономически неосъществим, но с развитието на технологиите ситуацията се промени. Миналата година за плановете му да започне да произвежда хелий-3 "Газпром" заяви.

Редица държави правят планове за добив на хелий-3 на Луната. Повърхностният му слой съдържа до 2,5 милиона тона (Таблица 2) на това вещество. Учените смятат, че ресурсът ще стигне за пет хиляди години. НАСА вече започна да създава инсталационни проектикоито рециклират реголит към хелий-3. Извършва се развитие на съответната земна и лунна инфраструктура Индия и Китай. Но няма да е възможно да се приложи на практика до 2030 г.

Друг начин да се предотврати недостигът на хелий-3 е да се намери негов заместител в производството на неутронни скенери. Между другото, тя вече открити през 2018 г. - станаха кристали от цинков сулфид и литиев-6 флуорид. Те дават възможност за регистриране на радиоактивни материали с точност над 90%.

/ снимка IBMResearch CC BY-ND

Други "квантови" проблеми

Освен недостига на хелий, има и други трудности, които спъват развитието на квантовите компютри. Първият е липсата на хардуерни компоненти. Все още има няколко големи предприятия в света, които разработват „пълнежа“ за квантовите машини. Понякога компаниите трябва да изчакат, докато охладителната система бъде произведена, повече от година.

Редица държави се опитват да решат проблема чрез правителствени програми. Такива инициативи вече са стартирани в САЩ и Европа. Например, съвсем наскоро в Холандия, с подкрепата на Министерството на икономиката, започна работа Delft Circuits. Произвежда компоненти за квантови изчислителни системи.

Друга трудност е липсата на специалисти. Търсенето им расте, но намирането им не е толкова лесно. от данни NYT, в света има не повече от хиляда опитни „квантови инженери“. Водещи технически университети решават проблема. Например вече в MIT създайте първите програми за обучение на специалисти за работа с квантови машини. Разработване на подходящи академични програми са сгодени и в Американската национална квантова инициатива.

Като цяло IT експертите са убедени, че проблемите пред създателите на квантовите компютри са напълно преодолими. И в бъдеще можем да очакваме нови технологични пробиви в тази област.

За какво пишем в първия блог за Enterprise IaaS:

• Една година в действие: кой и за какво беше наказан по GDPR
• Развитие на центрове за данни: технологични тенденции
• Как да подобрим енергийната ефективност на център за данни
• Защо компаниите използват виртуални машини, а не контейнери
• Как IaaS помага за развитието на бизнеса: три проблема, които облакът ще реши
• Безсървърните компютри в облака – модерна тенденция или необходимост?
• Как да тествате дискова система в облака

Източник: www.habr.com