Hovoříme o předpokladech a přinášíme názory odborníků.
/ фото CC BY-ND
Proč je helium potřeba v kvantových počítačích
Než přejdeme k popisu situace s nedostatkem helia, probereme, proč kvantové počítače helium vůbec potřebují.
Kvantové stroje pracují s qubity. Ty, na rozdíl od klasických bitů, mohou existovat ve státech 0 a 1 současně — v superpozici. V počítačovém systému vzniká jev kvantového paralelismu, kdy se operace provádějí současně s nulou a jedničkou. Tato vlastnost umožňuje strojům na bázi qubitů řešit některé úkoly rychleji než klasické počítače — například modelovat molekulární a chemické reakce.
Ale zde je problém: qubity jsou křehké objekty a superpozici mohou udržovat jen několik nanosekund. Tu narušuje i malá změna teploty, dochází k takzvané . Aby se předešlo zničení qubitů, kvantové počítače v podmínkách nízkých teplot — 10 mK (–273,14°C). K dosažení teplot blízkých absolutní nule firmy používají kapalné helium, specificky izotop , který v tak extrémních podmínkách nezatuhne.
Jaký je problém
V blízké budoucnosti se IT průmysl může setkat s nedostatkem helia-3 pro vývoj kvantových počítačů. Na Zemi se tato látka v přirozené podobě prakticky nevyskytuje — její objem v atmosféře planety (1,37 částí na milion v porovnání s heliem-4). Helium-3 je produktem rozkladu tritia, jehož výroba (v USA byl uzavřen poslední těžkovodní jaderný reaktor). Po tritiu začali získávat z komponentů vyřazených jaderných zbraní, ale podle Výzkumné služby Kongresu USA, tato iniciativa nezvýšila zásoby strategické látky významně. Rusko a USA mají některé jeho zásoby, ale .
Situaci zhoršuje fakt, že značná část hélia-3 jde na výrobu neutronových skenerů, které se používají na hraničních bodech k hledání radioaktivních materiálů. Neutronový skener je od roku 2000 povinným nástrojem na všech amerických celních úřadech. V důsledku řady faktorů jsou v USA dodávky hélia-3 již kontrolovány vládními orgány, které přidělují kvóty státním a soukromým organizacím, a IT odborníci se obávají, že brzy bude hélia-3 nedostatek pro všechny zájemce.
Jak špatné to je
Existuje názor, že nedostatek hélia-3 bude mít negativní dopad na kvantový výzkum. Blake Johnson, viceprezident výrobce kvantových počítačů Rigetti Computing, v rozhovoru pro MIT Tech Review , uvedl, že chladivo je nesmírně obtížné získat. Problémy zhoršuje jeho vysoká cena — na naplnění jednoho chladicího zařízení je potřeba 40 tisíc dolarů.
Ale představitelé D-Wave, dalšího kvantového startupu, nesouhlasí s názorem Blakea. Podle viceprezidenta organizace se na výrobu jednoho kvantového počítače používá pouze malé množství hélia-3, které lze považovat za nezávažné ve srovnání s celkovým dostupným objemem této látky. Proto bude nedostatek chladiva pro kvantový průmysl neviditelný.
Navíc se dnes zpracovávají další metody těžby hélia-3, které nejsou spojeny s tritium. Jedna z nich je těžba izotopu z přírodního plynu. Nejprve prochází hlubokou kondenzací při snížených teplotách a poté prochází procesy separace a rektifikace (oddělování plynných nečistot). Dříve se tento přístup považoval za ekonomicky nevhodný, ale s rozvojem technologií se situace změnila. Minulý rok oznámila své plány na začátek těžby hélia-3 .
Některé země plánují těžbu hélia-3 na Měsíci. V jeho povrchové vrstvě se nachází až (tab. 2) této látky. Podle odhadů vědců vydrží zdroje po dobu pěti tisíc let. Na NASA již začali vytvářet , které zpracovávají na hélium-3. Vývojem odpovídající pozemské a lunární infrastruktury se zabývají a . Ale realizace se nepodaří dříve než v roce 2030.
Dalším způsobem, jak zabránit nedostatku hélia-3, je najít pro něj náhradu při výrobě neutronových skenerů. Mimochodem, již byla v roce 2018 – staly se jimi krystaly zinku a lithia-6. Ty umožňují registrovat radioaktivní materiály s přesností vyšší než 90%.
/ фото CC BY-ND
Další „kvantové“ problémy
Kromě nedostatku hélia existují i další potíže, které brání rozvoji kvantových počítačů. První – nedostatek hardware. Na světě je zatím málo velkých podniků, které se zabývají vývojem „výbavy“ pro kvantové stroje. Někdy firmy musí čekat, než vyrobí chladicí systém, .
Celá řada zemí se snaží vyřešit problém prostřednictvím státních programů. Takové iniciativy již byly spuštěny v USA a Evropě. Například velmi nedávno v Nizozemsku s podporou Ministerstva hospodářství začala fungovat společnost Delft Circuits. Ta se zabývá výrobou komponentů pro kvantové výpočetní systémy.
Další obtíž – nedostatek specialistů. Poptávka po nich roste, avšak najít je není tak snadné. Podle NYT, zkušených „kvantových inženýrů“ je na světě jen něco málo přes tisíc. Problém se snaží řešit přední technické univerzity. Například na MIT již první programy na výcvik specialistů pro práci s kvantovými stroji. Vývojem odpovídajících akademických programů i v americké National Quantum Initiative.
Celkově IT experti věří, že problémy, kterým čelí tvůrci kvantových počítačů, jsou zcela překonatelné. A v budoucnu lze očekávat nové technologické průlomy v této oblasti.
O čem píšeme v prvním blogu o firemním IaaS:
Zdroj: habr.com
