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Pourquoi l’hélium est-il nécessaire dans les ordinateurs quantiques ?
Avant de passer à l’histoire de la pénurie d’hélium, expliquons pourquoi les ordinateurs quantiques ont besoin d’hélium en premier lieu.
Les machines quantiques fonctionnent sur des qubits. Contrairement aux bits classiques, ils peuvent être dans les états 0 et 1 en même temps - en superposition. Dans un système informatique, le phénomène de parallélisme quantique se produit lorsque des opérations sont effectuées simultanément avec zéro et un. Cette fonctionnalité permet aux machines basées sur les qubits de résoudre certains problèmes plus rapidement que les ordinateurs classiques, comme la simulation de réactions moléculaires et chimiques.
Mais il y a un problème : les qubits sont des objets fragiles et ils ne peuvent maintenir une superposition que pendant quelques nanosecondes. Elle est perturbée même par une légère fluctuation de température ; ce qu'on appelle . Pour éviter la destruction des qubits, les ordinateurs quantiques à basse température - 10 mK (-273,14°C). Pour atteindre des températures proches du zéro absolu, les entreprises utilisent de l'hélium liquide, ou plus précisément un isotope , qui ne durcit pas dans des conditions aussi extrêmes.
Quel est le problème
Dans un avenir proche, l’industrie informatique pourrait être confrontée à une pénurie d’hélium 3 pour le développement d’ordinateurs quantiques. Sur Terre, cette substance n'est pratiquement jamais trouvée sous sa forme naturelle - son volume est dans l'atmosphère de la planète. (1,37 ppm par rapport à l'hélium-4). L'hélium-3 est un produit de désintégration du tritium, dont la production (le dernier réacteur nucléaire à eau lourde a été fermé aux USA). Par la suite, le tritium a commencé à être extrait des composants des armes nucléaires déclassées, mais Selon le service de recherche du Congrès américain, cette initiative n'a pas augmenté de manière significative les stocks de substance stratégique. La Russie et les États-Unis ont quelques réserves, mais .
La situation est aggravée par le fait qu'une part assez importante de l'hélium-3 est consacrée à la production de scanners à neutrons utilisés aux postes de contrôle frontaliers pour rechercher des matières radioactives. Le scanner à neutrons est un outil obligatoire dans tous les bureaux de douane américains depuis 2000. En raison d'un certain nombre de ces facteurs, l'approvisionnement en hélium-3 aux États-Unis est déjà contrôlé par des agences gouvernementales qui fixent des quotas aux organisations publiques et privées, et les experts informatiques craignent qu'il n'y ait bientôt plus assez d'hélium-3 pour tout le monde.
À quel point est-ce grave ?
On pense qu’une pénurie d’hélium-3 aura un impact négatif sur les développements quantiques. Blake Johnson, vice-président du fabricant d'ordinateurs quantiques Rigetti Computing, dans une interview avec MIT Tech Review ce réfrigérant est incroyablement difficile à obtenir. Les problèmes sont aggravés par son coût élevé : il en coûte 40 XNUMX dollars pour remplir une unité de réfrigération.
Mais les représentants de D-Wave, une autre startup quantique, ne sont pas d'accord avec l'opinion de Blake. Par Vice-président de l'organisation, la production d'un ordinateur quantique ne nécessite qu'une petite quantité d'hélium-3, que l'on peut qualifier d'insignifiante par rapport au volume total disponible de la substance. La pénurie de réfrigérant sera donc invisible pour l’industrie quantique.
De plus, d’autres méthodes d’extraction de l’hélium-3 n’impliquant pas le tritium sont aujourd’hui développées. L’un d’eux est l’extraction de l’isotope du gaz naturel. Tout d'abord, il subit une condensation profonde à basse température, puis passe par des processus de séparation et de rectification (séparation des impuretés du gaz). Auparavant, cette approche était considérée comme économiquement irréalisable, mais avec le développement de la technologie, la situation a changé. L'année dernière, à propos de ses projets de commencer à produire de l'hélium-3 .
Un certain nombre de pays envisagent d’exploiter de l’hélium-3 sur la Lune. Sa couche superficielle contient jusqu'à (Tableau 2) de cette substance. Les scientifiques estiment que cette ressource durera cinq mille ans. La NASA a déjà commencé à créer qui recycle à l'hélium-3. Le développement des infrastructures terrestres et lunaires correspondantes est en cours и . Mais sa mise en œuvre concrète ne sera possible qu’en 2030.
Une autre façon d'éviter une pénurie d'hélium 3 est de lui trouver un substitut dans la production de scanners à neutrons. D'ailleurs, elle en 2018, il s'est transformé en cristaux de sulfure de zinc et de fluorure de lithium-6. Ils permettent d'enregistrer les matières radioactives avec une précision supérieure à 90 %.
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Autres problèmes « quantiques »
Outre la pénurie d’hélium, d’autres difficultés entravent le développement des ordinateurs quantiques. Le premier est le manque de composants matériels. Il existe encore peu de grandes entreprises dans le monde qui développent le « remplissage » des machines quantiques. Parfois, les entreprises doivent attendre que le système de refroidissement soit fabriqué, .
Un certain nombre de pays tentent de résoudre le problème grâce à des programmes gouvernementaux. De telles initiatives ont déjà été lancées aux États-Unis et en Europe. Aux Pays-Bas, par exemple, avec le soutien du ministère de l'Économie, Delft Circuits a récemment commencé à fonctionner. Elle produit des composants pour les systèmes informatiques quantiques.
Une autre difficulté est le manque de spécialistes. La demande augmente, mais il n'est pas si facile de les trouver. Par À New York, il n’existe pas plus d’un millier d’« ingénieurs quantiques » expérimentés dans le monde. Les principales universités techniques résolvent le problème. Par exemple, au MIT déjà les premiers programmes de formation de spécialistes au travail avec des machines quantiques. Développement de programmes académiques pertinents et dans l’American National Quantum Initiative.
En général, les experts informatiques sont convaincus que les problèmes auxquels sont confrontés les créateurs d’ordinateurs quantiques sont totalement surmontables. Et à l’avenir, nous pouvons nous attendre à de nouvelles avancées technologiques dans ce domaine.
Ce que nous écrivons dans le premier blog sur l'IaaS d'entreprise :
Source: habr.com