🥇Ein Mangel an Helium könnte die Entwicklung von Quantencomputern verlangsamen – Diskussion der Situation

Wir erläutern die Grundlagen und bringen Expertenmeinungen ein.

/ фото IBM Forschung CC BY-ND

Warum Helium in Quantencomputern benötigt wird

Bevor wir zur Situation der Heliumknappheit kommen, sprechen wir darüber, wofür Quantencomputer Helium überhaupt brauchen.

Quantenmaschinen arbeiten mit Qubits. Im Gegensatz zu klassischen Bits können sie sich gleichzeitig in den Zuständen 0 und 1 befinden – in Superposition. In diesem Rechensystem tritt das Phänomen der quantenmechanischen Parallelität auf, bei dem Operationen gleichzeitig mit Null und Eins durchgeführt werden. Diese Eigenschaft ermöglicht es Maschinen auf Basis von Qubits, bestimmte Aufgaben schneller zu lösen als klassische Computer – beispielsweise die Modellierung molekularer und chemischer Reaktionen.

Aber hier gibt es ein Problem: Qubits sind zerbrechliche Objekte und können ihre Superposition nur für einige Nanosekunden aufrechterhalten. Selbst kleine Temperaturschwankungen stören diese, es kommt zur sogenannten Dekohärenz. Um die Zerstörung von Qubits zu vermeiden, muss der Quantencomputer arbeiten. unter niedrigen Temperaturen – 10 mK (–273,14 °C). Um Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt zu erreichen, verwenden Unternehmen flüssiges Helium, genauer gesagt, das Isotop Helium-3, das unter diesen extremen Bedingungen nicht erstarrt.

Was ist das Problem?

In naher Zukunft könnte die IT-Branche 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 Atmosphäre des Planeten beträgt nur 0,000137% (1,37 Teile pro Million im Vergleich zu Helium-4). Helium-3 ist ein Zerfallsprodukt von Tritium, dessen Produktion 1988 eingestellt wurde (in den USA wurde der letzte schwerwasserreaktor stillgelegt). Tritium wird seitdem aus Komponenten ehemaliger Atomwaffen gewonnen, aber laut Daten dem Forschungsdienst des US-Kongresses hat diese Initiative die Vorräte an diesem strategischen Stoff nicht signifikant erhöht. Russland und die USA verfügen über einige Reserven, aber diese neigen sich dem Ende zu..

Die Situation wird zusätzlich kompliziert durch die Tatsache, dass ein erheblicher Teil von Helium-3 zur Herstellung von Neutronenscannern verwendet wird, die an Grenzübergängen zur Suche nach radioaktiven Materialien eingesetzt werden. Der Neutronenscanner ist seit 2000 ein unverzichtbares Werkzeug an allen amerikanischen Zollstellen. Aufgrund mehrerer Faktoren werden die Lieferungen von Helium-3 in den USA bereits von Regierungsbehörden kontrolliert, die Quoten an staatliche und private Organisationen vergeben, und IT-Experten befürchten, dass es bald für alle, die Helium-3 benötigen, eng wird.

Wie schlecht steht es wirklich?

Es gibt die Meinung, dass der Mangel an Helium-3 negative Auswirkungen auf die Quantenentwicklungen haben wird. Blake Johnson, der Vizepräsident des Quantum-Computing-Herstellers Rigetti Computing, äußerte sich in einem Interview mit der MIT Tech Review, berichtete, dass das Kältemittel unglaublich schwer zu beschaffen ist. Die Probleme werden durch die hohen Kosten verschärft – für die Befüllung einer Kühleinheit werden 40.000 Dollar benötigt.

Aber die Vertreter von D-Wave, einem anderen Quanten-Startup, sind mit Blake nicht einverstanden. Laut den Der Vizepräsident der Organisation erklärte, dass für die Herstellung eines Quantencomputers nur eine geringe Menge Helium-3 benötigt wird, die im Vergleich zu der insgesamt verfügbaren Menge als unbedeutend betrachtet werden kann. Daher wird der Mangel an Kältemittel in der Quantenindustrie nicht spürbar sein.

Darüber hinaus werden heute alternative Methoden zur Gewinnung von Helium-3 entwickelt, die nicht mit Tritium verbunden sind. Eine dieser Methoden ist die Gewinnung des Isotops aus Erdgas. Zuerst wird das Gas bei niedrigen Temperaturen stark kondensiert, bevor es durch Trennungsverfahren und Rektifikation (Trennung von Gasverunreinigungen) geleitet wird. Früher galt dieser Ansatz als wirtschaftlich untragbar, doch mit den fortschreitenden Technologien hat sich die Situation geändert. Im vergangenen Jahr kündigten die Verantwortlichen an, Pläne zur Gewinnung von Helium-3 zu starten. Das wurde von Gazprom bekanntgegeben..

Mehrere Länder planen die Gewinnung von Helium-3 auf dem Mond. In der oberflächlichen Schicht befinden sich bis zu 2,5 Millionen Tonnen (Tab. 2) dieses Materials. Schätzungen von Wissenschaftlern zufolge reicht diese Ressource für fünftausend Jahre aus. NASA hat bereits mit der Entwicklung von Anlagenprojekten, die Regolith verarbeiten. in Helium-3. Die Entwicklung der entsprechenden infrastrukturellen Einrichtungen auf der Erde und dem Mond erfolgt durch Indien und China. Doch die praktische Umsetzung wird nicht vor 2030 gelingen.

Ein weiterer Ansatz zur Vermeidung eines Helium-3-Mangels besteht darin, einen Ersatz bei der Herstellung von Neutronenscannern zu finden. Übrigens wurde dieser bereits entdeckt im Jahr 2018 – es handelt sich um Kristalle aus Zink-Sulfid und Lithium-6-Fluorid. Diese ermöglichen die Registrierung radioaktiver Materialien mit einer Genauigkeit von über 90%.

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Weitere „quantentechnische“ Herausforderungen

Neben dem Helium-Mangel gibt es auch andere Schwierigkeiten, die die Entwicklung von Quantencomputern behindern. Die erste ist der Mangel an Hardware-Komponenten. Weltweit gibt es bisher nur wenige große Unternehmen, die sich mit der Entwicklung der „Innereien“ für Quantenmaschinen beschäftigen. Oftmals müssen die Firmen warten, bis ein Kühlsystem gefertigt wird, mehr als ein Jahr.

Eine Reihe von Ländern versucht, das Problem durch staatliche Programme zu lösen. Solche Initiativen wurden bereits in den USA und Europa gestartet. Kürzlich wurde beispielsweise in den Niederlanden mit Unterstützung des Wirtschaftsministeriums die Firma Delft Circuits gegründet. Diese stellt Komponenten für Quantencomputersysteme her.

Eine weitere Herausforderung ist der Mangel an Fachkräften. Die Nachfrage nach ihnen wächst, doch sie zu finden, gestaltet sich schwierig. Laut Daten NYT gibt es weltweit nicht mehr als tausend erfahrene „Quanteningenieure“. Dieses Problem wird von führenden technischen Universitäten angegangen. Zum Beispiel entwickeln am MIT bereits die ersten Programme zur Ausbildung von Fachkräften für den Umgang mit Quantenmaschinen. Die Entwicklung entsprechender akademischer Programme wird auch von der amerikanischen National Quantum Initiative vorangetrieben. IT-Experten sind insgesamt überzeugt, dass die Herausforderungen, vor denen die Entwickler von Quantencomputern stehen, gut zu bewältigen sind. In Zukunft sind neue technologische Durchbrüche in diesem Bereich zu erwarten.

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