Opowiadamy o przesłankach i przedstawiamy opinie ekspertów.
/ фото CC BY-ND
Po co helium w komputerach kwantowych
Zanim przejdziemy do omówienia sytuacji z niedoborem helu, porozmawiajmy o tym, dlaczego komputery kwantowe potrzebują helu.
Komputery kwantowe operują kubitami. W przeciwieństwie do klasycznych bitów, mogą znajdować się w stanach 0 i 1 jednocześnie — w superpozycji. W systemie obliczeniowym występuje zjawisko kwantowego równoległowania, kiedy operacje są wykonywane jednocześnie z zerem i jedynką. Ta cecha pozwala urządzeniom opartym na kubitach rozwiązywać niektóre problemy szybciej niż klasyczne komputery — na przykład modelować reakcje molekularne i chemiczne.
Ale jest tu problem: kubity to obiekty kruchy i mogą utrzymywać superpozycję tylko przez kilka nanosekund. Nawet niewielka zmiana temperatury zakłóca ją, co prowadzi do tak zwanego . Aby uniknąć zniszczenia kubitów, komputery kwantowe w warunkach niskich temperatur — 10 mK (–273,14°C). Aby osiągnąć temperatury bliskie zeru bezwzględnemu, firmy używają ciekłego helu, a dokładniej izotopu , który nie twardnieje w takich ekstremalnych warunkach.
W czym problem
W najbliższej przyszłości branża IT może stanąć w obliczu niedoboru helu-3 do produkcji komputerów kwantowych. Na Ziemi substancja ta występuje praktycznie nieznacznie w formie naturalnej — jej ilość w atmosferze planety (1,37 części na milion w stosunku do helu-4). Hel-3 jest produktem rozpadu trytu, którego produkcję (w USA zamknięto ostatni ciężkowodny reaktor jądrowy). Po tryt zaczęto pozyskiwać z komponentów wycofanego uzbrojenia jądrowego, ale według Usług Badawczych Kongresu USA, ta inicjatywa nie pozwoliła znacząco zwiększyć zapasów strategicznej substancji. Rosja i USA mają pewne jej zapasy, ale .
Sytuacja jest jeszcze gorsza, ponieważ znacząca część helu-3 jest wykorzystywana do produkcji skanerów neutronowych, które są używane na punktach granicznych do wykrywania materiałów radioaktywnych. Skaner neutronowy jest obowiązkowym narzędziem we wszystkich amerykańskich urzędach celnych od 2000 roku. Z kilku powodów w USA dostawy helu-3 są już kontrolowane przez organy rządowe, które wydają kwoty dla organizacji publicznych i prywatnych, a eksperci IT obawiają się, że wkrótce zabraknie helu-3 dla wszystkich chętnych.
Jak źle jest naprawdę
Jest opinia, że niedobór helu-3 negatywnie wpłynie na rozwój technologii kwantowych. Blake Johnson, wiceprezydent firmy produkującej komputery kwantowe Rigetti Computing, w wywiadzie dla MIT Tech Review , że czynnik chłodzący jest niezwykle trudny do zdobycia. Problemy pogłębia jego wysoka cena — napełnienie jednego systemu chłodniczego kosztuje 40 tysięcy dolarów.
Jednak przedstawiciele D-Wave, innego startupu zajmującego się technologią kwantową, nie zgadzają się z opinią Blake'a. Według wiceprezesa organizacji, na produkcję jednego komputera kwantowego potrzeba tylko niewielkiej ilości helu-3, którą można nazwać nieznaczną w porównaniu do całkowitej dostępnej ilości substancji. Dlatego niedobór czynnika chłodzącego będzie niezauważalny dla przemysłu kwantowego.
Dodatkowo obecnie opracowywane są inne metody pozyskiwania helu-3, niezwiązane z trytem. Jedną z nich jest pozyskiwanie izotopu z gazu ziemnego. Najpierw poddawany jest głębokiej kondensacji w obniżonych temperaturach, a następnie przechodzi przez procesy separacji i rektyfikacji (oddzielenia zanieczyszczeń gazowych). Wcześniej podejście to uważano za ekonomicznie nieopłacalne, ale z rozwojem technologii sytuacja się zmieniła. W zeszłym roku swoje plany rozpoczęcia wydobycia helu-3 .
Kilka krajów planuje wydobycie helu-3 na Księżycu. W jego powierzchniowej warstwie znajduje się do (tab. 2) tej substancji. Według szacunków naukowców zasoby wystarczą na pięć tysięcy lat. NASA już zaczęła opracowywać , które przerabiają na hel-3. Opracowaniem odpowiedniej infrastruktury na Ziemi i Księżycu zajmuje się i . Ale jej wdrożenie w praktyce nie będzie możliwe przed 2030 rokiem.
Innym sposobem na zapobieganie niedoborowi helu-3 jest znalezienie substytutu do produkcji skanerów neutronowych. Warto dodać, że w 2018 roku — stały się nim kryształy siarczku cynku i fluorku litu-6. Pozwalają one rejestrować materiały radioaktywne z dokładnością przekraczającą 90%.
/ фото CC BY-ND
Inne "kwantowe" problemy
Oprócz niedoboru helu, istnieją też inne trudności, które utrudniają rozwój komputerów kwantowych. Pierwsza to brak komponentów sprzętowych. Na świecie wciąż jest niewiele dużych firm zajmujących się opracowaniem "podzespołów" dla maszyn kwantowych. Czasami firmy muszą czekać, aż zostanie wyprodukowany system chłodzenia, .
Kilka krajów stara się rozwiązać problem dzięki programom rządowym. Takie inicjatywy zostały już uruchomione w USA i Europie. Na przykład, całkiem niedawno w Holandii, przy wsparciu Ministerstwa Gospodarki, rozpoczęła działalność firma Delft Circuits. Zajmuje się produkcją komponentów dla systemów obliczeń kwantowych.
Jeszcze jedną trudnością jest brak specjalistów. Popyt na nich rośnie, jednak znalezienie ich nie jest proste. Z danych NYT wynika, że na świecie jest nie więcej niż tysiąc doświadczonych "inżynierów kwantowych". Problem ten rozwiązują czołowe uniwersytety techniczne. Na przykład, w MIT już pierwsze programy kształcenia specjalistów do pracy z maszynami kwantowymi. Opracowaniem odpowiednich programów akademickich także w amerykańskiej National Quantum Initiative.
Ogólnie eksperci IT są przekonani, że problemy, przed którymi stoją twórcy komputerów kwantowych, są jak najbardziej do pokonania. W przyszłości można oczekiwać nowych przełomów technologicznych w tej dziedzinie.
O czym piszemy w pierwszym blogu o korporacyjnym IaaS:
Źródło: habr.com
