We discuss the prerequisites and provide expert opinions.
/ фото CC BY-ND
Why is helium needed in quantum computers?
Before discussing the situation with helium shortages, let's talk about why quantum computers need helium at all.
Quantum machines operate with qubits. Unlike classical bits, qubits can exist in states 0 and 1 simultaneously—in superposition. In a computational system, the phenomenon of quantum parallelism occurs, where operations are performed simultaneously with zero and one. This feature allows qubit-based machines to solve certain problems faster than classical computers—for example, modeling molecular and chemical reactions.
But there's a problem: qubits are fragile objects, and they can maintain superposition for only a few nanoseconds. Even a slight temperature fluctuation disrupts it, leading to what is known as To prevent qubits from being destroyed, quantum computers under low temperature conditions—10 mK (-273.14°C). To achieve temperatures close to absolute zero, companies use liquid helium, more specifically, the isotope which does not solidify under such extreme conditions.
Wat is het probleem
In the near future, the IT industry may face a shortage of helium-3 for developing quantum computers. This substance is virtually nonexistent in its natural form on Earth—its volume in the planet's atmosphere (1.37 parts per million compared to helium-4). Helium-3 is a byproduct of tritium decay, the production of which (the last heavy-water nuclear reactor in the U.S. was shut down). After tritium started being extracted from components of decommissioned nuclear weapons, but according to the Congressional Research Service, this initiative did not significantly increase the reserves of this strategic substance. Russia and the U.S. each have a stockpile of it, but .
De situatie wordt verergerd door het feit dat een aanzienlijk deel van helium-3 wordt gebruikt voor de productie van neutronenscanners, die op grensposten worden ingezet voor het opsporen van radioactieve materialen. De neutronenscanner is sinds 2000 een verplicht instrument op alle Amerikaanse douanes. Vanwege een aantal factoren worden de leveringen van helium-3 in de VS al gecontroleerd door overheidsinstanties, die quotas toekennen aan zowel publieke als private organisaties, en IT-experts maken zich zorgen dat helium-3 binnenkort niet meer voor iedereen beschikbaar zal zijn.
Hoe erg is het?
Er zijn meningen dat het tekort aan helium-3 een negatieve invloed zal hebben op kwantumontwikkelingen. Blake Johnson, vice-president van het kwantumcomputerbedrijf Rigetti Computing, zei in een interview met MIT Tech Review , dat het koudemiddel ongelooflijk moeilijk te verkrijgen is. De problemen worden verergerd door de hoge kosten — het vullen van één koelinstallatie kost 40.000 dollar.
Maar vertegenwoordigers van D-Wave, een andere kwantumstart-up, zijn het niet eens met Blake's mening. Volgens de vice-president van de organisatie, is de hoeveelheid helium-3 die nodig is voor de productie van één kwantumcomputer slechts een kleine hoeveelheid, die als onbeduidend kan worden beschouwd in vergelijking met de totale beschikbare hoeveelheid stof. Daarom zal het tekort aan koudemiddel onopgemerkt blijven voor de kwantumindustrie.
Daarnaast worden er vandaag de dag andere methoden voor de winning van helium-3 onderzocht die niet met tritium verband houden. Een daarvan is de winning van isotopen uit aardgas. Eerst wordt het onderworpen aan diepe condensatie bij verlaagde temperaturen, en daarna doorloopt het scheidings- en rectificatieprocessen (het scheiden van gasverontreinigingen). Eerder werd deze aanpak als economisch onrendabel beschouwd, maar met de ontwikkeling van technologieën is de situatie veranderd. Vorig jaar gaven ze aan van plan te zijn om helium-3 te winnen .
Een aantal landen maakt plannen voor de winning van helium-3 op de Maan. De oppervlaktelaag bevat tot (tabel 2) van deze stof. Volgens wetenschappers zal de bron genoeg zijn voor vijfduizend jaar. Bij NASA zijn ze al begonnen met het ontwikkelen van , die omzetten in helium-3. De ontwikkeling van de bijbehorende aardse en lunaire infrastructuur wordt uitgevoerd door en Maar de implementatie ervan zal pas na 2030 mogelijk zijn.
Een andere manier om het tekort aan helium-3 te voorkomen, is het vinden van een vervanging bij de productie van neutronen-sensoren. Trouwens, deze in 2018 - het zijn kristallen van zink sulfide en lithium-6 fluoride. Ze maken het mogelijk om radioactieve materialen met een nauwkeurigheid van meer dan 90% te registreren.
/ фото CC BY-ND
Andere 'kwantum' problemen
Naast het tekort aan helium zijn er andere uitdagingen die de ontwikkeling van kwantumcomputers belemmeren. De eerste is een gebrek aan hardwarecomponenten. Wereldwijd zijn er nog maar weinig grote bedrijven die zich bezighouden met het ontwikkelen van de 'hardware' voor kwantummachines. Soms moeten bedrijven wachten totdat het koelsysteem is gemaakt, .
Verschillende landen proberen het probleem op te lossen via overheidsprogrammas. Dergelijke initiatieven zijn al van start gegaan in de VS en Europa. Zo is onlangs in Nederland, met de steun van het Ministerie van Economie, het bedrijf Delft Circuits opgericht. Het is gespecialiseerd in de productie van componenten voor kwantumcomputers.
Een andere moeilijkheid is het tekort aan specialisten. De vraag naar hen groeit, maar ze zijn niet zo gemakkelijk te vinden. Volgens NYT zijn er wereldwijd niet meer dan duizend ervaren 'kwantum ingenieurs'. De voornaamste technische universiteiten werken aan een oplossing voor dit probleem. In MIT zijn er al de eerste programma's voor het opleiden van specialisten in het werken met kwantummachines. De ontwikkeling van de bijbehorende academische programma's is ook gaande bij de Amerikaanse National Quantum Initiative.
Over het algemeen zijn IT-experts ervan overtuigd dat de problemen waarmee de makers van kwantumcomputers worden geconfronteerd, goed te overwinnen zijn. In de toekomst kunnen we nieuwe technologische doorbraken in dit gebied verwachten.
Waar we over schrijven in de eerste blog over corporate IaaS:
Bron: habr.com
