🥇Der Mangel an Helium könnte die Entwicklung von Quantencomputern verzögern – wir diskutieren die Situation

Wir erläutern die Hintergründe und bringen Expertenmeinungen.

/ фото IBM Forschung CC BY-ND

Warum wird Helium in Quantencomputern benötigt

Bevor wir die Situation über den Helium-Mangel ansprechen, sprechen wir darüber, warum Quantencomputer überhaupt Helium benötigen.

Quantenmaschinen operieren mit Qubits. Im Gegensatz zu klassischen Bits können sie sich gleichzeitig in den Zuständen 0 und 1 befinden – in einer Überlagerung. In einem Berechnungssystem tritt das Phänomen der quantenmechanischen Parallelität auf, wenn Operationen gleichzeitig mit Null und Eins durchgeführt werden. Diese Eigenschaft ermöglicht es Maschinen, die auf Qubits basieren, bestimmte Aufgaben schneller zu lösen als klassische Computer – zum Beispiel molekulare und chemische Reaktionen zu modellieren.

Aber hier gibt es ein Problem: Qubits sind fragile Objekte und können die Überlagerung nur für wenige Nanosekunden aufrechterhalten. Selbst eine kleine Temperaturschwankung stört sie; es tritt die sogenannte Dekohärenzauf. Um die Zerstörung der Qubits zu vermeiden, müssen Quantencomputer unter extrem niedrigen Temperaturen arbeiten – 10 mK (–273,14°C). Um Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt zu erreichen, verwenden Unternehmen flüssiges Helium, genauer gesagt das Isotop Helium-3 , das sich unter solch extremen Bedingungen nicht festigt.In naher Zukunft könnte die IT-Industrie mit einem Mangel an Helium-3 für die Entwicklung von Quantencomputern konfrontiert werden. Auf der Erde kommt diese Substanz praktisch nicht in natürlicher Form vor – ihr Anteil in der Erdatmosphäre

Was ist das Problem

beträgt nur 0,000137% (1,37 Teile pro Million im Verhältnis zu Helium-4). Helium-3 ist ein Zerfallsprodukt von Tritium, dessen Produktion 1988 eingestellt wurde (in den USA wurde der letzte schwerwassergekühlte Reaktor geschlossen). Seitdem wird Tritium aus Komponenten stillgelegter Atomwaffen gewonnen, aber laut dem Forschungsdienst des US-Kongresses hat diese Initiative nicht dazu beigetragen, die Vorräte an diesem strategischen Material signifikant zu erhöhen. Russland und die USA verfügen über einige Bestände, aber Angaben sie gehen zur Neige. sie neigen sich dem Ende zu.

Die Situation wird dadurch verschärft, dass ein erheblicher Teil des Helium-3 für die Produktion von Neutronenscannern verwendet wird, die an Grenzübergängen zur Suche nach radioaktiven Materialien eingesetzt werden. Der Neutronenscanner ist seit 2000 ein unverzichtbares Instrument an allen amerikanischen Zollstellen. Aufgrund einer Reihe von Faktoren wird in den USA die Lieferung von Helium-3 bereits von staatlichen Organen kontrolliert, die Quoten an staatliche und private Organisationen vergeben. IT-Experten machen sich Sorgen, dass bald für alle, die Helium-3 wollen, ein Mangel entsteht.

Wie schlimm ist es?

Es gibt die Meinung, dass der Mangel an Helium-3 negative Auswirkungen auf die Quantenentwicklungen haben wird. Blake Johnson, Vizepräsident des Unternehmens für Quantencomputer Rigetti Computing, sagte in einem Interview mit dem MIT Tech Review erzählte, dass es unglaublich schwierig sei, das Kältemittel zu beschaffen. Die Probleme werden durch die hohen Kosten verschärft – die Befüllung einer Kühlanlage kostet 40.000 Dollar.

Aber die Vertreter von D-Wave, einem anderen Quanten-Startup, sind mit Blake nicht einverstanden. Laut Aussage dem Vizepräsidenten der Organisation benötigt die Produktion eines Quantencomputers nur eine geringe Menge Helium-3, die im Vergleich zum insgesamt verfügbaren Volumen des Stoffes als unbedeutend bezeichnet werden kann. Daher wird der Mangel an Kältemittel für die Quantenindustrie nicht spürbar sein.

Darüber hinaus werden heute andere Methoden zur Gewinnung von Helium-3 entwickelt, die nicht mit Tritium verbunden sind. Eine davon ist die Gewinnung des Isotops aus Erdgas. Zunächst wird es bei niedrigen Temperaturen tief kondensiert und durchläuft dann die Prozesse der Trennung und Rektifikation (von Gasverunreinigungen). Dieser Ansatz wurde zuvor als wirtschaftlich unrentabel angesehen, aber mit der Entwicklung der Technologie hat sich die Situation geändert. Im letzten Jahr haben sie bekannt gegeben, dass sie mit der Gewinnung von Helium-3 bei "Gazprom" beginnen werden..

Eine Reihe von Ländern plant die Gewinnung von Helium-3 auf dem Mond. In der Oberflächenschicht befinden sich bis zu 2,5 Millionen Tonnen (Tab. 2) dieses Stoffes. Schätzungen von Wissenschaftlern zufolge wird die Ressource für fünftausend Jahre ausreichen. NASA hat bereits damit begonnen, Projekte für Anlagen, die Regolith in Helium-3 umwandeln. Die Entwicklung der entsprechenden terrestrischen und lunaren Infrastruktur wird von Indien und Chinavorangetrieben. Aber die Umsetzung in der Praxis wird nicht vor 2030 möglich sein.

Eine weitere Möglichkeit, das Defizit von Helium-3 zu verhindern, besteht darin, einen Ersatz bei der Herstellung von Neutronenscannern zu finden. Übrigens wurde dieser bereits 2018 entdeckt – es handelt sich um Kristalle aus Zinksulfid und Lithiumfluorid-6. Diese ermöglichen eine Registrierung radioaktiver Materialien mit einer Genauigkeit von über 90%. Andere „quantenbasierte“ Probleme

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Neben dem Helium-Defizit gibt es weitere Schwierigkeiten, die die Entwicklung von Quantencomputern behindern. Das erste Problem ist der Mangel an Hardwarekomponenten. In der Welt gibt es derzeit nur wenige große Unternehmen, die sich mit der Entwicklung der „Innereien“ von Quantenmaschinen beschäftigen. Manchmal müssen Unternehmen über ein Jahr warten, bis ein Kühlsystem hergestellt wird.

Eine Reihe von Ländern versucht, das Problem mit staatlichen Programmen zu lösen. Solche Initiativen wurden bereits in den USA und Europa gestartet. Zum Beispiel wurde vor kurzem in den Niederlanden mit Unterstützung des Wirtschaftsministeriums das Unternehmen Delft Circuits gegründet. Es ist auf die Herstellung von Komponenten für Quantencomputersysteme spezialisiert. Ein weiteres Problem ist der Mangel an Fachkräften. Die Nachfrage nach diesen steigt, aber es ist nicht einfach, sie zu finden. Laut.

NYT gibt es weltweit nicht mehr als tausend erfahrene „Quanteningenieure“. Führende technische Universitäten versuchen, das Problem zu beheben. Zum Beispiel hat das MIT bereits

die ersten Programme zur Ausbildung von Fachkräften in der Arbeit mit Quantenmaschinen. Die Entwicklung entsprechender akademischer Programme Angaben findet auch im amerikanischen National Quantum Initiative statt. an Insgesamt sind IT-Experten überzeugt, dass die Herausforderungen, vor denen die Entwickler von Quantencomputern stehen, durchaus zu bewältigen sind. In Zukunft sind neue technologische Durchbrüche in diesem Bereich zu erwarten. sich mit Worüber wir im ersten Blog über Corporate IaaS schreiben:

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