Wir sprechen über die Voraussetzungen und geben Expertenmeinungen ab.
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Warum wird Helium in Quantencomputern benötigt?
Bevor wir zur Geschichte der Heliumknappheit übergehen, wollen wir darüber sprechen, warum Quantencomputer überhaupt Helium benötigen.
Quantenmaschinen arbeiten mit Qubits. Sie können im Gegensatz zu klassischen Bits gleichzeitig die Zustände 0 und 1 haben – in einer Überlagerung. In einem Computersystem tritt das Phänomen der Quantenparallelität auf, wenn Operationen gleichzeitig mit Null und Eins ausgeführt werden. Mit dieser Funktion können Qubit-basierte Maschinen einige Probleme schneller lösen als klassische Computer, beispielsweise die Simulation molekularer und chemischer Reaktionen.
Es gibt jedoch ein Problem: Qubits sind fragile Objekte und können die Überlagerung nur wenige Nanosekunden lang aufrechterhalten. Es wird bereits durch eine geringfügige Temperaturschwankung gestört; die sogenannte . Um die Zerstörung von Qubits zu vermeiden, Quantencomputer bei niedrigen Temperaturen - 10 mK (-273,14°C). Um Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt zu erreichen, nutzen Unternehmen flüssiges Helium, genauer gesagt ein Isotop , das unter solch extremen Bedingungen nicht aushärtet.
Was ist das Problem
In naher Zukunft könnte es in der IT-Branche zu einem Mangel an Helium-3 für die Entwicklung von Quantencomputern kommen. Auf der Erde kommt dieser Stoff praktisch nie in seiner natürlichen Form vor – sein Volumen befindet sich in der Atmosphäre des Planeten (1,37 ppm relativ zu Helium-4). Helium-3 ist ein Zerfallsprodukt von Tritium, dessen Herstellung (Der letzte Schwerwasserreaktor wurde in den USA geschlossen). Danach begann man mit der Gewinnung von Tritium aus Komponenten stillgelegter Atomwaffen, aber Nach Angaben des US Congressional Research Service hat diese Initiative den Vorrat an strategischer Substanz nicht wesentlich erhöht. Russland und die USA verfügen über einige Reserven, aber .
Erschwerend kommt hinzu, dass ein erheblicher Teil des Helium-3 für die Herstellung von Neutronenscannern aufgewendet wird, die an Grenzkontrollpunkten zur Suche nach radioaktivem Material eingesetzt werden. Der Neutronenscanner ist seit dem Jahr 2000 ein Pflichtwerkzeug bei allen US-Zollämtern. Aufgrund einer Reihe dieser Faktoren wird die Versorgung mit Helium-3 in den Vereinigten Staaten bereits von Regierungsbehörden kontrolliert, die Quoten an öffentliche und private Organisationen vergeben, und IT-Experten befürchten, dass es bald nicht mehr genug Helium-3 für alle geben wird.
Wie schlimm ist es?
Man geht davon aus, dass ein Mangel an Helium-3 negative Auswirkungen auf die Quantenentwicklung haben wird. Blake Johnson, Vizepräsident des Quantencomputerherstellers Rigetti Computing, in einem Interview mit MIT Tech Review Dieses Kältemittel ist unglaublich schwer zu bekommen. Die Probleme werden durch die hohen Kosten noch verschärft: Die Befüllung einer Kühleinheit kostet 40 US-Dollar.
Aber Vertreter von D-Wave, einem anderen Quanten-Startup, sind mit Blakes Meinung nicht einverstanden. Von Laut Vizepräsident der Organisation wird für die Herstellung eines Quantencomputers nur eine geringe Menge Helium-3 benötigt, die im Vergleich zum gesamten verfügbaren Volumen der Substanz als unbedeutend bezeichnet werden kann. Daher wird die Kältemittelknappheit für die Quantenindustrie unsichtbar sein.
Darüber hinaus werden derzeit andere Methoden zur Gewinnung von Helium-3 entwickelt, bei denen kein Tritium zum Einsatz kommt. Eine davon ist die Gewinnung des Isotops aus Erdgas. Zunächst erfolgt eine Tiefenkondensation bei niedrigen Temperaturen und anschließend die Prozesse der Trennung und Rektifikation (Abscheidung von Gasverunreinigungen). Früher galt dieser Ansatz als wirtschaftlich undurchführbar, doch mit der Entwicklung der Technologie hat sich die Situation geändert. Letztes Jahr über seine Pläne, mit der Produktion von Helium-3 zu beginnen .
Mehrere Länder planen, Helium-3 auf dem Mond abzubauen. Seine Oberflächenschicht enthält bis zu (Tabelle 2) dieses Stoffes. Wissenschaftler schätzen, dass die Ressource fünftausend Jahre lang reichen wird. Die NASA hat bereits mit der Erstellung begonnen das recyceln zu Helium-3. Der Aufbau der entsprechenden terrestrischen und lunaren Infrastruktur ist im Gange и . Eine praktische Umsetzung wird jedoch erst im Jahr 2030 möglich sein.
Eine weitere Möglichkeit, einem Mangel an Helium-3 vorzubeugen, besteht darin, bei der Produktion von Neutronenscannern einen Ersatz dafür zu finden. Übrigens, sie Im Jahr 2018 wurden daraus Kristalle aus Zinksulfid und Lithium-6-Fluorid. Sie ermöglichen die Registrierung radioaktiver Stoffe mit einer Genauigkeit von über 90 %.
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Andere „Quanten“-Probleme
Neben dem Heliummangel gibt es noch weitere Schwierigkeiten, die die Entwicklung von Quantencomputern behindern. Der erste ist der Mangel an Hardwarekomponenten. Es gibt immer noch wenige große Unternehmen auf der Welt, die die „Füllung“ für Quantenmaschinen entwickeln. Manchmal müssen Unternehmen warten, bis das Kühlsystem hergestellt ist, .
Eine Reihe von Ländern versucht, das Problem durch staatliche Programme zu lösen. Solche Initiativen wurden bereits in den USA und Europa gestartet. Beispielsweise hat Delft Circuits in den Niederlanden erst kürzlich mit Unterstützung des Wirtschaftsministeriums seinen Betrieb aufgenommen. Es produziert Komponenten für Quantencomputersysteme.
Eine weitere Schwierigkeit ist der Mangel an Fachkräften. Die Nachfrage danach wächst, aber es ist nicht so einfach, sie zu finden. Von NYT, es gibt nicht mehr als tausend erfahrene „Quanteningenieure“ auf der Welt. Führende technische Universitäten lösen das Problem. Zum Beispiel schon am MIT die ersten Programme zur Ausbildung von Fachkräften im Umgang mit Quantenmaschinen. Entwicklung relevanter akademischer Programme und in der American National Quantum Initiative.
Generell sind IT-Experten davon überzeugt, dass die Probleme, mit denen die Entwickler von Quantencomputern konfrontiert sind, völlig überwindbar sind. Und in Zukunft können wir in diesem Bereich mit neuen technologischen Durchbrüchen rechnen.
Worüber wir im ersten Blog über Enterprise IaaS schreiben:
Source: habr.com