Chúng tôi nói về các điều kiện tiên quyết và đưa ra ý kiến chuyên môn.
/ hình chụp CC BY-NĐ
Tại sao helium lại cần thiết trong máy tính lượng tử?
Trước khi chuyển sang câu chuyện về tình trạng thiếu hụt helium, hãy nói về lý do tại sao máy tính lượng tử lại cần helium ngay từ đầu.
Máy lượng tử hoạt động trên qubit. Chúng, không giống như các bit cổ điển, có thể ở trạng thái 0 và 1 cùng một lúc - ở trạng thái chồng chất. Trong một hệ thống máy tính, hiện tượng song song lượng tử xảy ra khi các phép toán được thực hiện đồng thời với XNUMX và XNUMX. Tính năng này cho phép các máy dựa trên qubit giải quyết một số vấn đề nhanh hơn máy tính cổ điển, chẳng hạn như mô phỏng các phản ứng phân tử và hóa học.
Nhưng có một vấn đề: qubit là những vật thể mỏng manh và chúng chỉ có thể duy trì trạng thái chồng chất trong vài nano giây. Nó bị gián đoạn ngay cả khi có sự dao động nhiệt độ nhỏ; cái gọi là . Để tránh sự phá hủy qubit, máy tính lượng tử ở nhiệt độ thấp - 10 mK (-273,14°C). Để đạt được nhiệt độ gần độ không tuyệt đối, các công ty sử dụng helium lỏng, hay chính xác hơn là một chất đồng vị , không cứng lại trong những điều kiện khắc nghiệt như vậy.
Vấn đề là gì
Trong tương lai gần, ngành CNTT có thể phải đối mặt với tình trạng thiếu hụt helium-3 để phát triển máy tính lượng tử. Trên Trái đất, chất này thực tế không bao giờ được tìm thấy ở dạng tự nhiên - thể tích của nó nằm trong bầu khí quyển của hành tinh (1,37 ppm so với helium-4). Helium-3 là sản phẩm phân rã của tritium, việc sản xuất ra nó (lò phản ứng hạt nhân nước nặng cuối cùng đã bị đóng cửa ở Mỹ). Sau đó, triti bắt đầu được chiết xuất từ các bộ phận của vũ khí hạt nhân đã ngừng hoạt động, nhưng Theo Cơ quan Nghiên cứu Quốc hội Hoa Kỳ, sáng kiến này không làm tăng đáng kể kho dự trữ chất chiến lược. Nga và Mỹ có một số dự trữ, nhưng .
Tình hình trở nên trầm trọng hơn khi một phần khá đáng kể của helium-3 được sử dụng để sản xuất máy quét neutron sử dụng tại các trạm kiểm soát biên giới để tìm kiếm vật liệu phóng xạ. Máy quét neutron là công cụ bắt buộc tại tất cả các cơ quan hải quan Hoa Kỳ kể từ năm 2000. Do một số yếu tố này, việc cung cấp helium-3 ở Hoa Kỳ đã được kiểm soát bởi các cơ quan chính phủ cấp hạn ngạch cho các tổ chức công và tư nhân, đồng thời các chuyên gia CNTT lo ngại rằng sẽ sớm không có đủ helium-3 cho mọi người.
Nó tệ đến mức nào?
Người ta tin rằng sự thiếu hụt helium-3 sẽ có tác động tiêu cực đến sự phát triển lượng tử. Blake Johnson, phó chủ tịch nhà sản xuất máy tính lượng tử Rigetti Computing, trong cuộc phỏng vấn với MIT Tech Review chất làm lạnh đó cực kỳ khó kiếm được. Vấn đề càng trở nên trầm trọng hơn do chi phí cao – tốn tới 40 USD để đổ đầy một thiết bị làm lạnh.
Nhưng đại diện của D-Wave, một công ty khởi nghiệp lượng tử khác, không đồng ý với quan điểm của Blake. Qua Phó chủ tịch của tổ chức, việc sản xuất một máy tính lượng tử chỉ cần một lượng nhỏ helium-3, có thể gọi là không đáng kể so với tổng khối lượng sẵn có của chất này. Do đó, sự thiếu hụt chất làm lạnh sẽ vô hình đối với ngành công nghiệp lượng tử.
Ngoài ra, các phương pháp khác để chiết xuất helium-3 không liên quan đến triti đang được phát triển ngày nay. Một trong số đó là việc chiết xuất đồng vị từ khí tự nhiên. Đầu tiên, nó trải qua quá trình ngưng tụ sâu ở nhiệt độ thấp, sau đó trải qua các quá trình tách và tinh chế (tách tạp chất khí). Trước đây, cách tiếp cận này được coi là không khả thi về mặt kinh tế, nhưng với sự phát triển của công nghệ, tình hình đã thay đổi. Năm ngoái về kế hoạch bắt đầu sản xuất helium-3 .
Một số quốc gia đang lên kế hoạch khai thác helium-3 trên Mặt trăng. Lớp bề mặt của nó chứa tới (Bảng 2) của chất này. Các nhà khoa học ước tính rằng nguồn tài nguyên này sẽ tồn tại trong XNUMX nghìn năm. NASA đã bắt đầu tạo ra tái chế đó thành heli-3. Việc phát triển cơ sở hạ tầng trên mặt đất và mặt trăng tương ứng đang được thực hiện и . Nhưng nó sẽ không thể thực hiện được trên thực tế cho đến năm 2030.
Một cách khác để ngăn chặn sự thiếu hụt helium-3 là tìm chất thay thế nó trong quá trình sản xuất máy quét neutron. Nhân tiện, cô ấy vào năm 2018 - nó đã trở thành tinh thể kẽm sunfua và lithium-6 florua. Chúng cho phép đăng ký chất phóng xạ với độ chính xác trên 90%.
/ hình chụp CC BY-NĐ
Các vấn đề "lượng tử" khác
Bên cạnh tình trạng thiếu hụt helium, còn có những khó khăn khác đang cản trở sự phát triển của máy tính lượng tử. Đầu tiên là việc thiếu các thành phần phần cứng. Trên thế giới vẫn còn ít doanh nghiệp lớn phát triển “chất độn” cho máy lượng tử. Đôi khi các công ty phải đợi cho đến khi hệ thống làm mát được sản xuất xong, .
Một số quốc gia đang cố gắng giải quyết vấn đề thông qua các chương trình của chính phủ. Những sáng kiến như vậy đã được đưa ra ở Mỹ và Châu Âu. Chẳng hạn, mới đây ở Hà Lan, với sự hỗ trợ của Bộ Kinh tế, Delft Circuits đã bắt đầu hoạt động. Nó sản xuất các thành phần cho hệ thống máy tính lượng tử.
Một khó khăn nữa là thiếu chuyên gia. Nhu cầu về chúng ngày càng tăng nhưng việc tìm kiếm chúng không phải là điều dễ dàng. Qua NYT, trên thế giới không có hơn một nghìn “kỹ sư lượng tử” có kinh nghiệm. Các trường đại học kỹ thuật hàng đầu đang giải quyết vấn đề. Ví dụ như ở MIT rồi các chương trình đầu tiên đào tạo các chuyên gia làm việc với máy lượng tử. Phát triển các chương trình học thuật phù hợp và trong Sáng kiến Lượng tử Quốc gia Hoa Kỳ.
Nhìn chung, các chuyên gia CNTT tin chắc rằng những vấn đề mà những người tạo ra máy tính lượng tử gặp phải là hoàn toàn có thể giải quyết được. Và trong tương lai chúng ta có thể mong đợi những đột phá công nghệ mới trong lĩnh vực này.
Những gì chúng tôi viết trong blog đầu tiên về IaaS dành cho doanh nghiệp:
Nguồn: www.habr.com