🥇Hea gaasi puudumine võib pidurdada kvantarvutite arengut — arutame olukorda

Räägime eeldustest ja toome ekspertide arvamusi.

/ фото IBM Research CC BY-ND

Miks on heelium vajalik kvantarvutites

Enne kui läheme rääkimise juurde heeliumi puuduse olukorrast, arutame, miks kvantarvutitele üldse heeliumit vaja on.

Kvantarvutid töötavad kubiitidega. Need erinevad klassikalisest bittidest, kuna nad saavad olla samaaegselt seisundites 0 ja 1 — superpositsioonis. Arvutisüsteemis tekib kvantparalleelsuse nähtus, kui operatsioonid toimuvad samaaegselt nulli ja ühiku puhul. See omadus võimaldab kubiitide põhjal töötavatel masinatel lahendada teatud ülesandeid kiiremini kui klassikalised arvutid — näiteks modelleerida molekulaarsed ja keemilised reaktsioonid.

Kuid siin on probleem: kubiidid on õrnad objektid ja nad saavad superpositsiooni hoida vaid paar nanosekundit. Isegi väike temperatuuri kõikumine rikub selle, mis on tuntud kui dekohereerumine. Kubiitide hävimise vältimiseks peavad kvantarvutid töötama madal temperatuuridel — 10 mK (–273,14°C). Absoluutsesse nulli lähedaste temperatuuride saavutamiseks kasutavad ettevõtted vedelat heeliumi, või täpsemalt isotoopi heelium-3, mis ei tardu sellistes äärmuslikes tingimustes.

Mis on probleem

Lähitulevikus võib IT-tööstus seista silmitsi heelium-3 puudumisega kvantarvutite arendamiseks. Maa peal esineb seda ainet looduslikult praktiliselt mitte — selle kogus planeedi atmosfääris on vaid 0,000137% (1,37 osa miljonist heeliumi-4 suhtes). Heelium-3 on tritia lagunemise toode, mille tootmine peatas 1988. aastal (Ameerika Ühendriigid sulges viimase raskusvees tuumareaktori). Pärast tritiat hakati seda tootma tagajäänud tuumaarsenali koostisosadest, kuid andmetele Ameerika Ühendriikide Kongressi uurimisteenistuse andmetel ei suutnud see algatus oluliselt suurendada strateegilise aine varusid. Venemaal ja Ameerika Ühendriikides on mõned selle varud, kuid need on peaaegu otsas.

Olukorda halvendab asjaolu, et märkimisväärne osa heelium-3-st kulub neutroniskännerite tootmiseks, mida kasutatakse piirikontrolli punktides radioaktiivsete materjalide leidmiseks. Neutroniskänner on olnud kohustuslik vahend kõigis Ameerika tollides alates 2000. aastast. Rikkaid tegureid arvesse võttes kontrollivad USA-s heelium-3 tarned juba valitsusasutused, kes väljastavad kvoote nii riiklikele kui ka erasektori organisatsioonidele, ning IT-eksperdid muretsevad, et varsti võib heelium-3-st puududa kõikidele soovijatele.

Kui hull olukord on?

On arvamusi, et heelium-3 puudus avaldab negatiivset mõju kvanttehnoloogia arendusele. Blake Johnson, kvantkomplektorite tootva ettevõtte Rigetti Computing asepresident, ütles intervjuus MIT Tech Review, rääkis, et jahutusainet on äärmiselt raske saada. Probleeme raskendab selle kõrge hind – ühe jahutusüksuse täitmine maksab 40 000 dollarit.

Kuid D-Wave'i, teise kvantstarupiga, esindajad ei nõustu Blake'i arvamusega. Vastavalt sõnadega organisatsiooni asepresidendi sõnul on ühes kvantkompleksi tootmises vajalik helium-3 hulk niivõrd väike, et seda võib pidada tühiseks võrreldes kogu aine üldise kättesaadavusega. Seetõttu ei tule külmutusagensi puudust kvanttööstusele märkama.

Lisaks arendatakse täna ka muid meetodeid helium-3 kaevandamiseks, mis ei ole seotud tritiumiga. Üks neist on isotoobi kaevandamine loodusgaasist. Esiteks allutatakse see sügavale kondenseerimisele madalatel temperatuuridel, seejärel läbib see eraldamis- ja destilleerimisprotsesse (gaasi lisandite eemaldamist). Varem peeti seda lähenemist majanduslikult ebaotstarbekaks, kuid tehnoloogia arengu tõttu on olukord muutunud. Eelmisel aastal teatas oma plaanidest helium-3 kaevandamiseks. teatas Gazprom..

Mitmed riigid plaanivad kaevandada helium-3 Kuu pinnalt. Selle pinnakiht sisaldab kuni 2,5 miljonit tonni (vt. 2) seda ainet. Teadlaste hinnangul piisab ressursist viieks tuhandeks aastaks. NASA on juba alustanud seadmete projektide loomist, mis töötlevad regoliiti. heelium-3. As development of the corresponding terrestrial and lunar infrastructure is being handled India ja China. However, its practical implementation will not happen before 2030.

Another way to prevent a helium-3 shortage is to find alternatives for its use in neutron scanners. In fact, it has already been found in 2018 — these became zinc sulfide and lithium-6 fluoride crystals. They allow for the detection of radioactive materials with an accuracy exceeding 90%.

/ фото IBM Research CC BY-ND

Other 'quantum' issues

Besides the helium shortage, there are other challenges hindering the advancement of quantum computers. The first is the lack of hardware components. There are still few large enterprises globally dedicated to developing the 'inner workings' of quantum machines. Sometimes companies have to wait more than a year.

A number of countries are trying to address this issue through government programs. Such initiatives have already been launched in the USA and Europe. For instance, just recently in the Netherlands, supported by the Ministry of Economic Affairs, the company Delft Circuits started operations. It focuses on producing components for quantum computing systems.

Veel kätkeb raskus — spetsialistide puudus. Nende järele on nõudlus suurenenud, kuid nende leidmine pole lihtne. Vastavalt andmetele NYT, on maailmas kogenud „kvantinseneride” arv vähem kui tuhat. Probleemi lahendavad juhtivad tehnilised ülikoolid. Näiteks MIT-is on juba loovad alustatud esimestes programmides spetsialistide koolitamiseks kvantmasinatega töötamiseks. Vastavate akadeemiliste programmide väljatöötamiseks tegelevad tegeleb ka Ameerika Ühendriikide National Quantum Initiative.

Üldiselt on IT-eksperdid veendunud, et kvantarvutite loojaid ootavad ees ületatavad probleemid. Tulevikus võib oodata uusi tehnoloogilisi läbimurdeid selles valdkonnas.

Millest me kirjutame esimeses blogis ettevõtte IaaS kohta: