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Por que o hélio é necessário em computadores quânticos?
Antes de passarmos à história da situação de escassez de hélio, vamos falar sobre por que os computadores quânticos precisam de hélio.
As máquinas quânticas operam em qubits. Eles, diferentemente dos bits clássicos, podem estar nos estados 0 e 1 ao mesmo tempo - em uma superposição. Num sistema de computação, o fenômeno do paralelismo quântico ocorre quando as operações são realizadas simultaneamente com zero e um. Esse recurso permite que máquinas baseadas em qubit resolvam alguns problemas mais rapidamente do que computadores clássicos, como simular reações moleculares e químicas.
Mas há um problema: qubits são objetos frágeis e só conseguem manter a superposição por alguns nanossegundos. É perturbado mesmo por uma ligeira flutuação de temperatura; a chamada . Para evitar a destruição de qubits, computadores quânticos em baixas temperaturas - 10 mK (-273,14°C). Para atingir temperaturas próximas do zero absoluto, as empresas utilizam hélio líquido, ou mais precisamente, um isótopo , que não endurece sob condições tão extremas.
Qual é o problema
Num futuro próximo, a indústria de TI poderá enfrentar uma escassez de hélio-3 para o desenvolvimento de computadores quânticos. Na Terra, essa substância praticamente nunca é encontrada em sua forma natural – seu volume está na atmosfera do planeta (1,37 ppm em relação ao hélio-4). O hélio-3 é um produto da decomposição do trítio, cuja produção (o último reator nuclear de água pesada foi fechado nos EUA). Posteriormente, o trítio começou a ser extraído de componentes de armas nucleares desativadas, mas De acordo com o Serviço de Investigação do Congresso dos EUA, esta iniciativa não aumentou significativamente o stock da substância estratégica. A Rússia e os EUA têm algumas reservas, mas .
A situação é agravada pelo facto de uma parte bastante significativa do hélio-3 ser gasta na produção de scanners de neutrões utilizados nos postos de fronteira para procurar materiais radioactivos. O scanner de nêutrons tem sido uma ferramenta obrigatória em todas as alfândegas dos EUA desde 2000. Devido a uma série destes factores, o fornecimento de hélio-3 nos Estados Unidos já é controlado por agências governamentais que emitem quotas para organizações públicas e privadas, e os especialistas em TI temem que em breve não haja hélio-3 suficiente para todos.
Quão ruim é isso?
Acredita-se que a escassez de hélio-3 terá um impacto negativo no desenvolvimento quântico. Blake Johnson, vice-presidente da fabricante de computadores quânticos Rigetti Computing, em entrevista ao MIT Tech Review esse refrigerante é incrivelmente difícil de obter. Os problemas são agravados pelo seu alto custo – custa US$ 40 mil para encher uma unidade de refrigeração.
Mas representantes da D-Wave, outra startup quântica, discordam da opinião de Blake. Por Vice-presidente da organização, a produção de um computador quântico requer apenas uma pequena quantidade de hélio-3, que pode ser chamada de insignificante se comparada ao volume total disponível da substância. Portanto, a escassez de refrigerante será invisível para a indústria quântica.
Além disso, outros métodos para extrair hélio-3 que não envolvem trítio estão sendo desenvolvidos hoje. Uma delas é a extração do isótopo do gás natural. Primeiramente, sofre condensação profunda em baixas temperaturas, e depois passa pelos processos de separação e retificação (separação de impurezas gasosas). Anteriormente, esta abordagem era considerada economicamente inviável, mas com o desenvolvimento da tecnologia a situação mudou. No ano passado, sobre seus planos para começar a produzir hélio-3 .
Vários países estão planejando extrair hélio-3 na Lua. Sua camada superficial contém até (Tabela 2) desta substância. Os cientistas estimam que o recurso durará cinco mil anos. A NASA já começou a criar que reciclam para hélio-3. O desenvolvimento da infra-estrutura terrestre e lunar correspondente está sendo realizado и . Mas não será possível implementá-lo na prática até 2030.
Outra forma de evitar a escassez de hélio-3 é encontrar um substituto para ele na produção de scanners de nêutrons. Aliás, ela em 2018 - tornaram-se cristais de sulfeto de zinco e fluoreto de lítio-6. Eles permitem registrar materiais radioativos com precisão superior a 90%.
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Outros problemas "quânticos"
Além da escassez de hélio, existem outras dificuldades que dificultam o desenvolvimento de computadores quânticos. A primeira é a falta de componentes de hardware. Ainda existem poucas grandes empresas no mundo desenvolvendo o “recheio” para máquinas quânticas. Às vezes as empresas têm que esperar até que o sistema de refrigeração seja fabricado, .
Vários países estão tentando resolver o problema através de programas governamentais. Tais iniciativas já foram lançadas nos EUA e na Europa. Por exemplo, recentemente nos Países Baixos, com o apoio do Ministério da Economia, os Circuitos Delft começaram a operar. Produz componentes para sistemas de computação quântica.
Outra dificuldade é a falta de especialistas. A demanda por eles está crescendo, mas encontrá-los não é tão fácil. Por NYT, não existem mais do que mil “engenheiros quânticos” experientes no mundo. As principais universidades técnicas estão resolvendo o problema. Por exemplo, no MIT já os primeiros programas de formação de especialistas no trabalho com máquinas quânticas. Desenvolvimento de programas acadêmicos relevantes e na Iniciativa Nacional Quantum Americana.
Em geral, os especialistas em TI estão convencidos de que os problemas enfrentados pelos criadores de computadores quânticos são completamente superáveis. E no futuro podemos esperar novos avanços tecnológicos nesta área.
Sobre o que escrevemos no primeiro blog sobre IaaS empresarial:
Fonte: habr.com