🥇La carenza di elio può rallentare lo sviluppo dei computer quantistici - discutiamo la situazione

Parliamo delle premesse e presentiamo le opinioni degli esperti.

/ фото IBM Research CC BY-ND

A cosa serve l'elio nei computer quantistici

Prima di passare a discutere della situazione relativa alla carenza di elio, parliamo del motivo per cui i computer quantistici hanno bisogno dell'elio.

Le macchine quantistiche operano con qubit. A differenza dei bit classici, possono trovarsi negli stati 0 e 1 contemporaneamente — in sovrapposizione. Nella sistema computazionale si verifica il fenomeno del parallelismo quantistico, quando le operazioni vengono eseguite simultaneamente con zero e uno. Questa caratteristica consente alle macchine basate su qubit di risolvere alcuni problemi più rapidamente dei computer classici — ad esempio, modellare reazioni molecolari e chimiche.

Ma qui c'è un problema: i qubit sono oggetti fragili e possono mantenere la sovrapposizione solo per pochi nanosecondi. Anche una piccola oscillazione della temperatura interferisce, si verifica quella che viene chiamata decoerenza. Per evitare di distruggere i qubit, i computer quantistici devono operare in condizioni di basse temperature — 10 mK (–273,14°C). Per raggiungere temperature vicine allo zero assoluto, le aziende utilizzano elio liquido, e più precisamente, l'isotopo elio-3, che non si solidifica in tali condizioni estreme.

Qual è il problema

Nel prossimo futuro, l'industria IT potrebbe affrontare una carenza di elio-3 per lo sviluppo di computer quantistici. Sulla Terra, questa sostanza si trova praticamente solo in forma naturale — il suo volume nell'atmosfera del pianeta è solo dello 0,000137% (1,37 parti per milione rispetto all'elio-4). L'elio-3 è un prodotto della decomposizione del trizio, la cui produzione è stata interrotta nel 1988 (negli Stati Uniti è stato chiuso l'ultimo reattore nucleare a acqua pesante). Dopo che il trizio è stato estratto da componenti di armi nucleari dismesse, ma secondo dati il Servizio di Ricerca del Congresso degli Stati Uniti, questa iniziativa non ha consentito di aumentare significativamente le riserve di questa sostanza strategica. La Russia e gli Stati Uniti hanno alcune riserve, ma stanno per finire.

La situazione è aggravata dal fatto che una parte significativa dell'elio-3 viene utilizzata per la produzione di scanner neutronici, utilizzati nei punti di confine per individuare materiali radioattivi. Lo scanner neutronico è uno strumento obbligatorio in tutte le dogane americane dal 2000. A causa di diversi fattori, negli Stati Uniti le forniture di elio-3 sono già controllate dalle autorità governative, che rilasciano quote a organizzazioni pubbliche e private, e gli esperti IT sono preoccupati che presto ci sarà scarsità di elio-3 per tutti coloro che ne hanno bisogno.

Quanto è grave la situazione

C'è l'opinione che la mancanza di elio-3 avrà un impatto negativo sugli sviluppi quantistici. Blake Johnson, vicepresidente della società produttrice di computer quantistici Rigetti Computing in un'intervista con MIT Tech Review ha raccontato, afferma che il refrigerante è incredibilmente difficile da reperire. I problemi sono aggravati dal suo alto costo: ci vogliono 40.000 dollari per riempire un'unità refrigerante.

Ma i rappresentanti di D-Wave, un altro startup quantistico, non sono d'accordo con l'opinione di Blake. Secondo gli esperti, i principali problemi dell'Internet delle cose sono le password facilmente indovinabili (spesso sono presenti password di fabbrica preimpostate, accessibili pubblicamente) e i firmware obsoleti dei dispositivi. In migliori dei casi, gli aggiornamenti vengono pubblicati con notevoli ritardi, nel peggiore — non vengono rilasciati affatto (a volte la possibilità di aggiornamento non è nemmeno prevista a livello tecnico). Di conseguenza, molti dispositivi IoT vengono compromessi attraverso modi banali, come vulnerabilità nell'interfaccia web. Quasi tutte queste vulnerabilità sono critiche, ma il produttore ha possibilità estremamente limitate di creare rapidamente una patch e distribuirla come aggiornamento. il vicepresidente dell'organizzazione, per produrre un computer quantistico viene utilizzata solo una piccola quantità di elio-3, che può essere considerata insignificante rispetto al volume complessivo di sostanza disponibile. Pertanto, la carenza di refrigerante sarà impercettibile per l'industria quantistica.

Inoltre, oggi si stanno sviluppando altri metodi di estrazione dell'elio-3, non legati al trizio. Uno di questi consiste nell'estrazione dell'isotopo dal gas naturale. Innanzitutto, viene sottoposto a una profonda condensazione a basse temperature e poi passa attraverso processi di separazione e rettificazione (rimozione delle impurità gassose). In passato, questo approccio era considerato economicamente non vantaggioso, ma con l'avanzamento della tecnologia la situazione è cambiata. Lo scorso anno sono stati annunciati i piani per iniziare l'estrazione di elio-3 da Gazprom.

Diverse nazioni stanno pianificando l'estrazione di elio-3 sulla Luna. Nella sua superficie sono contenuti fino a 2,5 milioni di tonnellate (tab. 2) di questa sostanza. Secondo le stime degli scienziati, la risorsa basterà per cinquemila anni. La NASA ha già iniziato a creare progetti di impianti, che elaborano il regolito in elio-3. Lo sviluppo delle rispettive infrastrutture terrestri e lunari è curato da l'India e Cina. Ma la sua realizzazione nella pratica non avverrà prima del 2030.

Un altro modo per prevenire la carenza di elio-3 è trovare un sostituto nella produzione di scanner a neutroni. A proposito, è già stato scoperto nel 2018: i cristalli di solfuro di zinco e fluoruro di litio-6. Questi permettono di registrare materiali radioattivi con un'accuratezza superiore al 90%.

/ фото IBM Research CC BY-ND

Altri problemi "quantistici"

Oltre alla carenza di elio, ci sono altre difficoltà che ostacolano lo sviluppo dei computer quantistici. La prima è la mancanza di componenti hardware. Al mondo ci sono ancora poche grandi aziende che si occupano dello sviluppo del "cuore" delle macchine quantistiche. A volte le aziende devono aspettare che venga prodotta una sistema di raffreddamento, anche più di un anno.

Diverse nazioni stanno cercando di affrontare il problema tramite programmi governativi. Iniziative di questo tipo sono già state avviate negli Stati Uniti e in Europa. Ad esempio, recentemente nei Paesi Bassi, con il supporto del Ministero dell'Economia, è emersa l'azienda Delft Circuits. Si occupa della produzione di componenti per sistemi di calcolo quantistico.

Un'altra difficoltà è la scarsità di specialisti. La domanda per loro è in crescita, ma trovarli non è così semplice. Secondo dati il NYT, nel mondo ci sono meno di mille "ingegneri quantistici" esperti. Il problema viene affrontato da alcune università tecniche di prestigio. Ad esempio, al MIT sono già stanno creando partiti i primi programmi per formare specialisti nel lavoro con macchine quantistiche. La creazione di programmi accademici appropriati si occupa di è prevista anche nell'iniziativa nazionale statunitense per il quantum.

In generale, gli esperti IT sono convinti che i problemi che affrontano i creatori dei computer quantistici siano superabili. E in futuro ci si può aspettare nuove rivoluzioni tecnologiche in questo campo.

Di cosa scriviamo nel primo blog sull'IaaS aziendale: