We bespreken de voorwaarden en geven deskundig advies.
/ foto CC BY-SA
Waarom is helium nodig in kwantumcomputers?
Voordat we verder gaan met het verhaal van het heliumtekort, laten we het eerst hebben over waarom kwantumcomputers überhaupt helium nodig hebben.
Kwantummachines werken op qubits. In tegenstelling tot klassieke bits kunnen ze zich tegelijkertijd in de toestanden 0 en 1 bevinden - in een superpositie. In een computersysteem treedt het fenomeen kwantumparallellisme op wanneer bewerkingen gelijktijdig met nul en één worden uitgevoerd. Met deze functie kunnen op qubit gebaseerde machines sommige problemen sneller oplossen dan klassieke computers, zoals het simuleren van moleculaire en chemische reacties.
Maar er is een probleem: qubits zijn kwetsbare objecten en kunnen hun superpositie slechts enkele nanoseconden behouden. Het wordt verstoord door zelfs een kleine temperatuurschommeling; de zogenaamde . Om de vernietiging van qubits te voorkomen, hebben kwantumcomputers bij lage temperaturen - 10 mK (-273,14°C). Om temperaturen dichtbij het absolute nulpunt te bereiken, gebruiken bedrijven vloeibaar helium, of beter gezegd, een isotoop , dat onder zulke extreme omstandigheden niet uithardt.
Wat is het probleem
In de nabije toekomst kan de IT-industrie te maken krijgen met een tekort aan helium-3 voor de ontwikkeling van kwantumcomputers. Op aarde wordt deze substantie vrijwel nooit in zijn natuurlijke vorm aangetroffen - het volume ervan bevindt zich in de atmosfeer van de planeet (1,37 ppm ten opzichte van helium-4). Helium-3 is een vervalproduct van tritium, waarvan de productie plaatsvindt (de laatste zwaarwaterkernreactor in de VS werd gesloten). Daarna begon men tritium te winnen uit onderdelen van ontmantelde kernwapens Volgens de Amerikaanse Congressional Research Service heeft dit initiatief de voorraad strategische substantie niet significant vergroot. Rusland en de VS hebben enige reserves, maar .
De situatie wordt verergerd door het feit dat een vrij aanzienlijk deel van het helium-3 wordt besteed aan de productie van neutronenscanners die bij grenscontroleposten worden gebruikt om naar radioactief materiaal te zoeken. De neutronenscanner is sinds 2000 een verplicht hulpmiddel bij alle Amerikaanse douanekantoren. Als gevolg van een aantal van deze factoren wordt het aanbod van helium-3 in de Verenigde Staten al gecontroleerd door overheidsinstanties die quota afgeven aan publieke en private organisaties, en IT-experts zijn bang dat er binnenkort niet genoeg helium-3 voor iedereen zal zijn.
Hoe slecht is het?
Er wordt aangenomen dat een tekort aan helium-3 een negatief effect zal hebben op de kwantumontwikkelingen. Blake Johnson, vice-president van kwantumcomputerfabrikant Rigetti Computing, in een interview met MIT Tech Review dat koelmiddel ongelooflijk moeilijk te verkrijgen is. De problemen worden verergerd door de hoge kosten: het kost $40 om één koelunit te vullen.
Maar vertegenwoordigers van D-Wave, een andere kwantumstartup, zijn het niet eens met de mening van Blake. Door Vice-president van de organisatie, voor de productie van één kwantumcomputer is slechts een kleine hoeveelheid helium-3 nodig, wat onbeduidend kan worden genoemd in vergelijking met het totale beschikbare volume van de stof. Daarom zal het tekort aan koelmiddel onzichtbaar zijn voor de kwantumindustrie.
Bovendien worden er tegenwoordig andere methoden ontwikkeld voor het extraheren van helium-3 waarbij geen tritium betrokken is. Eén daarvan is de winning van de isotoop uit aardgas. Eerst ondergaat het een diepe condensatie bij lage temperaturen en doorloopt vervolgens de processen van scheiding en rectificatie (scheiding van gasonzuiverheden). Voorheen werd deze aanpak als economisch onhaalbaar beschouwd, maar met de ontwikkeling van de technologie is de situatie veranderd. Vorig jaar over zijn plannen om helium-3 te gaan produceren .
Een aantal landen maakt plannen om helium-3 op de maan te winnen. De oppervlaktelaag bevat maximaal (Tabel 2) van deze stof. Wetenschappers schatten dat de hulpbron vijfduizend jaar mee zal gaan. NASA is al begonnen met creëren dat recyclen naar helium-3. De ontwikkeling van de overeenkomstige terrestrische en maaninfrastructuur wordt uitgevoerd и . Maar het zal pas in 2030 mogelijk zijn om het in de praktijk te implementeren.
Een andere manier om een tekort aan helium-3 te voorkomen is door er een vervanger voor te vinden bij de productie van neutronenscanners. Trouwens, zij in 2018 werden het kristallen van zinksulfide en lithium-6-fluoride. Ze maken het mogelijk om radioactieve stoffen te registreren met een nauwkeurigheid van meer dan 90%.
/ foto CC BY-SA
Andere "kwantum"-problemen
Naast het tekort aan helium zijn er nog andere problemen die de ontwikkeling van kwantumcomputers belemmeren. De eerste is het gebrek aan hardwarecomponenten. Er zijn nog steeds weinig grote ondernemingen in de wereld die de ‘vulling’ voor kwantummachines ontwikkelen. Soms moeten bedrijven wachten tot het koelsysteem is vervaardigd, .
Een aantal landen probeert het probleem op te lossen via overheidsprogramma's. Dergelijke initiatieven zijn al gelanceerd in de VS en Europa. Zo is onlangs in Nederland, met steun van het Ministerie van Economische Zaken, Delft Circuits operationeel geworden. Het produceert componenten voor kwantumcomputersystemen.
Een ander probleem is het gebrek aan specialisten. De vraag ernaar groeit, maar het vinden ervan is niet zo eenvoudig. Door NYT zijn er niet meer dan duizend ervaren ‘kwantumingenieurs’ in de wereld. Toonaangevende technische universiteiten lossen het probleem op. Bij MIT bijvoorbeeld al de eerste programma’s voor het opleiden van specialisten in het werken met quantummachines. Ontwikkeling van relevante academische programma's en in het Amerikaanse National Quantum Initiative.
Over het algemeen zijn IT-experts ervan overtuigd dat de problemen waarmee de makers van kwantumcomputers worden geconfronteerd volledig overkomelijk zijn. En in de toekomst kunnen we op dit gebied nieuwe technologische doorbraken verwachten.
Waar we over schrijven in de eerste blog over enterprise IaaS:
Bron: www.habr.com