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

Споделяме предпоставките и даваме мнения на експерти.

/ фото IBM Research CC BY-ND

Каква е нуждата от хелий в квантовите компютри

Преди да се впуснем в разказа за ситуацията с недостига на хелий, нека обсъдим защо квантовите компютри изобщо имат нужда от хелий.

Квантовите машини работят с кубити. За разлика от класическите битове, кубитите могат да бъдат в състояния 0 и 1 едновременно — в суперпозиция. В изчислителната система се проявява явление на квантовия паралелизъм, при което операциите се извършват едновременно с нула и единица. Тази особеност позволява на машините, базирани на кубити, да решават някои задачи по-бързо от класическите компютри — например, да моделират молекулярни и химични реакции.

Но тук има проблем: кубитите са деликатни обекти и могат да запазят суперпозицията си само за няколко наносекунди. Дори малко колебание в температурата я нарушава; настъпва т.нар. декохерентност. За да се предотврати 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 именно изотопа хелий-3, който не замръзва при такива екстремни условия.

Какъв е проблемът

В близкото бъдеще ИТ индустрията може да се сблъска с недостиг на хелий-3 за разработката на квантови компютри. На Земята това вещество практически не се среща в естествени условия — обемът му в атмосферата на планетата представлява само 0,000137% (1,37 части на милион спрямо хелий-4). Хелий-3 е продукт на разпадането на тритий, производството на който беше преустановено през 1988 година (в САЩ затвориха последния тежководен ядрен реактор). След трития започнаха да добиват от компонентите на изведеното от експлоатация ядрено оръжие, но според данни Изследователската служба на Конгреса на САЩ, тази инициатива не успя да увеличи значително запасите от стратегическия материал. Русия и САЩ разполагат с някои запаси от него, но те свършват.

Ситуацията се усложнява от факта, че значителна част от хелий-3 се използва за производството на неутронни скенери, които се използват на граничните пунктове за откриване на радиоактивни материали. Неутронният скенер е задължителен инструмент на всички американски митници от 2000 година. Поради множество фактори, доставките на хелий-3 в САЩ вече се контролират от правителствените органи, които издават квоти на държавни и частни организации, и ИТ експертите се опасяват, че скоро няма да стигне за всички, които желаят хелий-3.

Докъде е всичко лошо

Съществува мнение, че недостигът на хелий-3 ще окаже негативно влияние върху квантовите разработки. Блейк Джонсън, вицепрезидент на производителя на квантови компютри Rigetti Computing, в интервю за MIT Tech Review разказа, че хладилният агент е невероятно труден за набавяне. Проблемите се усложняват от неговата висока цена — за запълване на едно хладилно устройство са необходими 40 000 долара.

Но представители на D-Wave, друга квантова стартъп компания, не се съгласяват с мнението на Блейк. Според казват вицепрезидента на организацията, за производството на един квантов компютър се използва само малко количество хелий-3, което може да бъде определено като незначително в сравнение с общия наличен обем на веществото. Следователно недостигът на хладилния агент ще бъде незабележим за квантовата индустрия.

Освен това в момента се разработват и други методи за добив на хелий-3, които не са свързани с тритиума. Един от тях е извличане на изотопа от природен газ. Първоначално той преминава през дълбока кондензация при ниски температури, след което преминава през процеси на сепарация и ректификация (отделяне на газови примеси). Преди това подходът се смяташе за икономически неизгоден, но с развитието на технологиите ситуацията се промени. Миналата година обявиха в „Газпром“.

Няколко страни планират добив на хелий-3 на Луната. В нейния повърхностен слой се съдържат до 2,5 милиона тона (таб. 2) от това вещество. Според оценките на учените ресурсът ще стигне за пет хиляди години. В NASA вече започнаха да разработват проекти за установки, които преработват реголит в хелий-3. Разработката на съответната наземна и лунна инфраструктура се осъществява от Индия и Китай. Но ще успеят да я реализират на практика най-рано през 2030 година.

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

/ фото IBM Research CC BY-ND

Други "квантови" проблеми

Освен недостига на хелий, съществуват и други трудности, които пречат на развитието на квантовите компютри. Първата е недостигът на хардуерни компоненти. В света все още има малко големи компании, които разработват "отделените" за квантови машини. Понякога на компаниите им се налага да чакат, докато произведат система за охлаждане, повече от година.

Няколко държави се опитват да решат проблема чрез държавни програми. Подобни инициативи вече са стартирани в САЩ и Европа. Например, съвсем наскоро в Нидерландия с подкрепа на Министерството на икономиката започна работа компанията Delft Circuits. Тя се занимава с производството на компоненти за квантови изчислителни системи.

Още една трудност е недостигът на специалисти. Търсенето на тях нараства, но не е лесно да се намерят. Според данни NYT, в света има не повече от хиляда опитни "квантови инженери". Проблема решават водещи технически университети. Например, в MIT вече създават първите програми за обучение на специалисти, работещи с квантовите машини. Разработката на съответните академични програми се осъществява и в американската National Quantum Initiative.

Общо взето, ИТ експерти убедително твърдят, че проблемите пред 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 корпоративния IaaS:

Източник: habr.com