🥇Heeliumi nappus võib kvantarvutite arengut pidurdada — arutame olukorda

Räägime eeldustest ja anname ekspertide arvamusi.

/ фото IBM Research CC BY-ND

Miks on heelium vajalik kvantarvutites

Enne heeliumi puuduse olukorrast rääkimist, arutame, miks kvantarvutites üldse heeliumit vajalik on.

Kvantarvutid töötavad kubittidega. Need, erinevalt klassikalisest bitist, võivad olla üheaegselt olekutes 0 ja 1 — superpositsioonis. Arvutisüsteemis toimub kvantparalleelsuse nähtus, kus operatsioonid viiakse läbi samaaegselt nulli ja ühtsega. See omadus võimaldab kubittide põhjal toimivatel seadmetel lahendada teatud ülesandeid kiiremini kui klassikalised arvutid — näiteks simuleerida molekulaar- ja keemilisi reaktsioone.

Aga siin on probleem: kubid on õrnade objektid ja nad saavad superpositsiooni toetada vaid paar nanosekundit. Seda rikub isegi väikseim temperatuurimuutus, toimub nn dekohereerimine. Et vältida kubittide hävimist, peavad kvantarvutid töötama madalate temperatuuride tingimustes — 10 mK (–273,14 °C). Temperatuuri, mis on lähedane absoluutsele nullile, saavutamiseks kasutavad ettevõtted vedelat heeliumit, täpsemalt isotoopi heelium-3, mis ei külmuta sellistes äärmuslikes tingimustes.

Mis on probleem

Lähitulevikus võib IT-tööstus silmitsi seista heelium-3 puudusega kvantarvutite arendamiseks. Maal esineb see aine praktiliselt looduslikult — selle maht planeedi atmosfääris koosneb vaid 0,000137%-st (1,37 osakest miljoni kohta heelium-4 suhtes). Heelium-3 on tritiumi lagunemise toode, mille tootmine peatati 1988. aastal (Ameerika Ühendriikides suleti viimane raskevee tuumaelektrijaam). Pärast tritiumi hakati saama endiste tuumarelvade komponentide seest, kuid andmete USA Kongressi Uuringute Teenistuse kohaselt ei suutnud see algatus oluliselt suurendada strateegilise aine varusid. Venemaal ja Ameerika Ühendriikidel on mõned selle varud, kuid need on lõppemas..

Probleemi süvendab asjaolu, et märkimisväärne osa heelium-3-st suunatakse neuraal扫描器ite tootmisele, mida kasutatakse piiriluguumiskohas radioaktiivsete materjalide otsimiseks. Neuraal scanner on olnud kõikide Ameerika tollide põhiinstrument alates 2000. aastast. Rida tegureid tõttu kontrollivad USA valitsusasutused heelium-3 pakkumisi, jagades kvoote riiklikele ja eraettevõtetele, ning IT-spetsialistid on mures, et varsti ei piisa heelium-3-st kõigile soovijatele.

Kuidas seis on?

On arvamus, et heelium-3 puudus avaldab negatiivset mõju kvanttehnoloogia arengule. Blake Johnson, kvantarvutite tootja Rigetti Computing asepresident, märkis MIT Tech Review'le, rääkis, et soojusvaheti on äärmiselt raske saada. Probleeme halvendab selle kõrge hind — ühe külmutusseadme täitmine maksab 40 000 dollarit.

Kuid D-Wave'i esindajad, teine kvantettevõte, ei nõustu Blake'i arvamusega. Vastavalt sõnadele organisatsiooni asepresidendi sõnul on ühe kvantkomplekti tootmiseks vajalik heelium-3 maht ebaoluline võrreldes üldise saadaval oleva kogusega. Seega ei jää külmutusvedeliku puudust kvanttööstusele märkamatuks.

Lisaks töötatakse praegu välja teisi heelium-3 tootmise meetodeid, mis ei ole seotud tritiumiga. Üks neist on isotoobi tootmine looduslikust gaasist. Esiteks läbib see sügava kondenseerimise madalal temperatuuril, seejärel eraldatakse ja rafineeritakse (eritatakse gaasisegud). Varasemalt peeti see lähenemisviis majanduslikult ebaproportsionaalseks, kuid tehnoloogia arengu tõttu on olukord muutunud. Eelmisel aastal teatasid nad oma plaanidest alustada heelium-3 tootmist Gazpromis..

Mitmed riigid töötavad välja plaane heelium-3 kaevandamiseks Kuult. Selle pinnakihis sisaldub kuni 2,5 miljonit tonni seda ainet (tabel 2). Teadlaste hinnangul jätkub ressursse viieks tuhandeks aastaks. NASA on juba alustanud paigaldiste projektide loomist,mis töötlevad regoliiti heelium-3-ks. Vastava maismaa ja kuu infrastruktuuri arendamisega tegelevad India. ja HiinaKuid selle rakendamine praktikas toimub mitte enne 2030. aastat.

Veel viise helium-3 puuduse vältimiseks on leida sellele asendaja neutroniskannerite tootmisel. Muide, see on juba avastatud 2018. aastal — selleks osutus tsink-sulfidi ja liitiumi-6 fluoriidikristallid. Need võimaldavad tuvastada radioaktiivseid materjale täpsusega üle 90%.

/ фото IBM Research CC BY-ND

Teised "kvantprobleemid"

Lisaks heliumipuudusele on ka teisi raskusi, mis takistavad kvantarvutite arengut. Esimene on riistvarakomponentide nappus. Maailmas on endiselt vähe suuri ettevõtteid, mis arendavad kvantmasinate "sisu". Aeg-ajalt peavad ettevõtted ootama, kuni jahutussüsteem valmistatakse üle aasta.

Mitu riiki püüab probleemi lahendada riiklike programmide abil. Sellised algatused on juba käivitatud Ameerikas ja Euroopas. Näiteks hiljuti Hollandis majandas majanduse ministeeriumi toetusel ettevõte Delft Circuits, mis tegeleb kvantkompuuterelementide tootmisega.

Veel üks takistus on spetsialistide nappus. Nende järele on kasvav nõudlus, kuid leida neid pole sugugi lihtne. NYT andmetel ei ole maailmas rohkem kui tuhat kogenud "kvantinseneri". Probleemi lahendavad juhtivad tehnilised ülikoolid. Näiteks MIT-is andmete loodakse esimesed programmid kvantmasinatega töötavate spetsialistide koolitamiseks. Vastava akadeemilise programmi väljatöötamine toimub ka Ameerika Ühendriikide National Quantum Initiative raames. Üldiselt on IT-eksperdid kindlad, et kvantarvutite arendajate ees seisvad probleemid on täiesti ületatavad. Ja tulevikus võib oodata selles valdkonnas uusi tehnoloogilisi läbimurdeid. juba kulutanud Millest me räägime esimeses korporatiivse IaaS blogis:

Aasta tegevuses: kellele ja millega on GDPR-i alusel karistatud

Serveriteta arvutamine pilves – tänapäeva trend või vajalikus?