Omawiamy przesłanki i przedstawiamy ekspertyzy.
/ zdjęcie CC BY-ND
Dlaczego hel jest potrzebny w komputerach kwantowych?
Zanim przejdziemy do historii niedoboru helu, porozmawiajmy o tym, dlaczego komputery kwantowe w ogóle potrzebują helu.
Maszyny kwantowe działają na kubitach. W odróżnieniu od bitów klasycznych mogą one znajdować się jednocześnie w stanach 0 i 1 – w superpozycji. W systemie obliczeniowym zjawisko równoległości kwantowej występuje, gdy operacje wykonywane są jednocześnie z zerem i jedynką. Ta funkcja pozwala maszynom opartym na kubitach rozwiązywać niektóre problemy szybciej niż klasyczne komputery, np. symulując reakcje molekularne i chemiczne.
Istnieje jednak problem: kubity są delikatnymi obiektami i mogą utrzymać superpozycję tylko przez kilka nanosekund. Zakłócają go nawet niewielkie wahania temperatury, tzw . Aby uniknąć zniszczenia kubitów, komputery kwantowe w niskich temperaturach - 10 mK (-273,14°C). Aby osiągnąć temperatury bliskie zera absolutnego, firmy wykorzystują ciekły hel, a dokładniej izotop , który nie twardnieje w tak ekstremalnych warunkach.
W czym jest problem
W najbliższej przyszłości branża IT może stanąć w obliczu niedoboru helu-3 do rozwoju komputerów kwantowych. Na Ziemi substancja ta praktycznie nigdy nie występuje w swojej naturalnej postaci - jej objętość znajduje się w atmosferze planety (1,37 ppm w stosunku do helu-4). Hel-3 jest produktem rozpadu trytu, którego produkcja (w USA zamknięto ostatni reaktor ciężkowodny). Następnie zaczęto wydobywać tryt ze składników wycofanej broni nuklearnej, ale Według Służby Badawczej Kongresu USA inicjatywa ta nie zwiększyła znacząco zapasów substancji strategicznej. Rosja i USA mają pewne rezerwy, ale .
Sytuację pogarsza fakt, że dość znaczna część helu-3 jest przeznaczana na produkcję skanerów neutronów wykorzystywanych na przejściach granicznych do poszukiwania materiałów radioaktywnych. Od 2000 roku skaner neutronów jest obowiązkowym narzędziem we wszystkich urzędach celnych w USA. Z powodu szeregu tych czynników dostawy helu-3 w Stanach Zjednoczonych są już kontrolowane przez agencje rządowe, które przyznają kwoty organizacjom publicznym i prywatnym, a eksperci IT obawiają się, że wkrótce helu-3 nie wystarczy dla wszystkich.
Jak bardzo jest źle?
Uważa się, że niedobór helu-3 będzie miał negatywny wpływ na rozwój kwantowy. Blake Johnson, wiceprezes producenta komputerów kwantowych Rigetti Computing, w wywiadzie dla MIT Tech Review ten czynnik chłodniczy jest niezwykle trudny do zdobycia. Problemy pogłębiają wysokie koszty — napełnienie jednego agregatu chłodniczego kosztuje 40 XNUMX dolarów.
Jednak przedstawiciele D-Wave, kolejnego kwantowego start-upu, nie zgadzają się z opinią Blake'a. Przez Wiceprezes organizacji do produkcji jednego komputera kwantowego wymaga jedynie niewielkiej ilości helu-3, którą można nazwać nieistotną w porównaniu z całkowitą dostępną objętością substancji. Dlatego też dla przemysłu kwantowego niedobory czynnika chłodniczego będą niewidoczne.
Ponadto obecnie opracowywane są inne metody ekstrakcji helu-3, które nie wymagają trytu. Jednym z nich jest ekstrakcja izotopu z gazu ziemnego. Najpierw ulega głębokiej kondensacji w niskich temperaturach, a następnie przechodzi procesom separacji i rektyfikacji (oddzielenia zanieczyszczeń gazowych). Wcześniej takie podejście uważano za nieopłacalne ekonomicznie, ale wraz z rozwojem technologii sytuacja się zmieniła. W zeszłym roku o swoich planach rozpoczęcia produkcji helu-3 .
Wiele krajów planuje wydobywanie helu-3 na Księżycu. Jej warstwa powierzchniowa zawiera do (Tabela 2) tej substancji. Naukowcy szacują, że zasób będzie trwał pięć tysięcy lat. NASA już zaczęła tworzyć które poddajemy recyklingowi do helu-3. Trwa rozwój odpowiedniej infrastruktury naziemnej i księżycowej и . Jednak wdrożenie go w praktyce będzie możliwe dopiero w 2030 roku.
Innym sposobem zapobiegania niedoborom helu-3 jest znalezienie jego substytutu przy produkcji skanerów neutronów. Swoją drogą, ona w 2018 roku – stały się to kryształy siarczku cynku i fluorku litu-6. Umożliwiają rejestrację materiałów promieniotwórczych z dokładnością przekraczającą 90%.
/ zdjęcie CC BY-ND
Inne problemy „kwantowe”.
Oprócz niedoboru helu istnieją inne trudności utrudniające rozwój komputerów kwantowych. Pierwszą z nich jest brak komponentów sprzętowych. Na świecie wciąż niewiele jest dużych przedsiębiorstw opracowujących „wypełnienie” do maszyn kwantowych. Czasami firmy muszą poczekać, aż układ chłodzenia zostanie wyprodukowany, .
Wiele krajów próbuje rozwiązać ten problem poprzez programy rządowe. Takie inicjatywy zostały już podjęte w USA i Europie. Na przykład niedawno w Holandii, przy wsparciu Ministerstwa Gospodarki, rozpoczęła działalność firma Delft Circuits. Produkuje komponenty do kwantowych systemów obliczeniowych.
Kolejnym utrudnieniem jest brak specjalistów. Zapotrzebowanie na nie rośnie, jednak ich znalezienie nie jest takie proste. Przez NYT, na świecie jest nie więcej niż tysiąc doświadczonych „inżynierów kwantowych”. Problem rozwiązują czołowe uczelnie techniczne. Na przykład już w MIT pierwsze programy szkolenia specjalistów w zakresie pracy z maszynami kwantowymi. Opracowanie odpowiednich programów akademickich oraz w Amerykańskiej Narodowej Inicjatywie Kwantowej.
Generalnie eksperci IT są przekonani, że problemy stojące przed twórcami komputerów kwantowych są w pełni do pokonania. A w przyszłości możemy spodziewać się nowych przełomów technologicznych w tej dziedzinie.
O czym piszemy w pierwszym blogu o Enterprise IaaS:
Źródło: www.habr.com