🥇Нехватка гелия может замедлить развитие квантовых компьютеров — обсуждаем ситуацию

Рассказываем о предпосылках и приводим мнения экспертов.

/ фото IBM Research CC BY-ND

Зачем нужен гелий в квантовых компьютерах

Прежде чем перейти к рассказу о ситуации с нехваткой гелия, поговорим о том, зачем вообще квантовым компьютерам нужен гелий.

Квантовые машины оперируют кубитами. Они, в отличие от классических битов, могут находиться в состояниях 0 и 1 одновременно — в суперпозиции. В вычислительной системе возникает явление квантового параллелизма, когда операции производятся одновременно с нулем и единицей. Эта особенность позволяет машинам на основе кубитов решать некоторые задачи быстрее классических компьютеров — например, моделировать молекулярные и химические реакции.

Но здесь есть проблема: кубиты — объекты хрупкие и поддерживать суперпозицию они могут всего несколько наносекунд. Её нарушает даже небольшое колебание температуры, происходит так называемая декогеренция. Чтобы избежать разрушения кубитов, квантовым компьютерам приходится работать в условиях низких температур — 10 мК (–273,14°C). Для достижения температур, близких к абсолютному нулю, компании используют жидкий гелий, а точнее, изотоп гелий-3, который не затвердевает в таких экстремальных условиях.

В чем проблема

В ближайшем будущем ИТ-индустрия может столкнуться с нехваткой гелия-3 для разработки квантовых компьютеров. На Земле это вещество практически не встречается в естественном виде — его объем в атмосфере планеты составляет всего 0,000137% (1,37 частей на миллион по отношению к гелию-4). Гелий-3 является продуктом распада трития, производство которого остановили в 1988 году (в США закрыли последний тяжеловодный ядерный реактор). После тритий начали добывать из компонентов списанного ядерного вооружения, но по данным Исследовательской службы Конгресса США, эта инициатива не позволила значительно увеличить запасы стратегического вещества. У России и США есть некоторые его запасы, но они подходят к концу.

Ситуацию усугубляет тот факт, что довольно значимая часть гелия-3 уходит на производство нейтронных сканеров, используемых на пограничных пунктах для поиска радиоактивных материалов. Нейтронный сканер является обязательным инструментом на всех американских таможнях с 2000 года. В силу ряда данных факторов в США поставки гелия-3 уже контролируются правительственными органами, которые выдают квоты государственным и частным организациям, и ИТ-эксперты беспокоятся, что скоро на всех желающих гелия-3 начнет не хватать.

Насколько все плохо

Есть мнение, что нехватка гелия-3 окажет негативное влияние на квантовые разработки. Блейк Джонсон (Blake Johnson), вице-президент компании-производителя квантовых компьютеров Rigetti Computing в интервью MIT Tech Review рассказал, что хладагент невероятно трудно достать. Проблемы усугубляет его высокая стоимость — на заполнение одной холодильной установки уходит 40 тыс. долларов.

Но представители D-Wave, другого квантового стартапа, несогласны со мнением Блейка. По словам вице-президента организации, на производство одного квантового компьютера уходит лишь небольшое количество гелия-3, которое можно назвать незначительным по сравнению с общим доступным объемом вещества. Поэтому дефицит хладагента будет незаметен для квантовой промышленности.

Плюс сегодня прорабатываются другие методы добычи гелия-3, не связанные с тритием. Один из них — добыча изотопа из природного газа. Сперва он подвергается глубокой конденсации при пониженных температурах, а затем проходит через процессы сепарации и ректификации (отделения газовых примесей). Ранее этот подход считался экономически нецелесообразным, но с развитием технологий ситуация изменилась. В прошлом году о своих планах начать добычу гелия-3 заявили в «Газпроме».

Ряд стран строит планы по добыче гелия-3 на Луне. В её поверхностном слое содержится до 2,5 млн тонн (таб. 2) этого вещества. По оценкам ученых, ресурса хватит на пять тысячелетий. В НАСА уже начали создавать проекты установок, которые перерабатывают реголит в гелий-3. Разработкой соответствующей земной и лунной инфраструктуры занимаются Индия и Китай. Но реализовать её на практике получится не раньше 2030 года.

Еще один способ предотвратить дефицит гелия-3 — найти для него замену при производстве нейтронных сканеров. К слову, её уже обнаружили в 2018 году — ей стали кристаллы сульфида цинка и фторида лития-6. Они позволяют регистрировать радиоактивные материалы с точностью, превышающей 90%.

/ фото IBM Research CC BY-ND

Другие «квантовые» проблемы

Помимо дефицита гелия, есть и другие трудности, которые препятствуют развитию квантовых компьютеров. Первая — нехватка аппаратных компонентов. В мире пока мало крупных предприятий, занимающихся разработкой «начинки» для квантовых машин. Порой компаниям приходится ждать, пока изготовят систему охлаждения, больше года.

Ряд стран пытается решить проблему за счет государственных программ. Такие инициативы уже запущены в США и Европе. Например, совсем недавно в Нидерландах при поддержке Министерства экономики заработала компания Delft Circuits. Она занимается производством компонентов для квантовых вычислительных систем.

Ещё одна трудность — нехватка специалистов. Спрос на них растёт, однако найти их не так просто. По данным NYT, опытных «квантовых инженеров» в мире не более тысячи. Проблему решают ведущие технические университеты. Например, в MIT уже создают первые программы для обучения специалистов по работе с квантовыми машинами. Разработкой соответствующих академических программ занимаются и в американской National Quantum Initiative.

В целом ИТ-эксперты убеждены, что проблемы, стоящие перед создателями квантовых компьютеров, вполне преодолимы. И в будущем можно ожидать новых технологических прорывов в этой области.

О чем мы пишем в первом блоге о корпоративном IaaS: