Хабрахабр

Нехватка гелия может замедлить развитие квантовых компьютеров — обсуждаем ситуацию

Рассказываем о предпосылках и приводим мнения экспертов индустрии.


/ фото IBM Research CC BY-ND

Зачем нужен гелий в квантовых компьютерах

Прежде чем перейти к рассказу о ситуации с нехваткой гелия, поговорим о том, зачем вообще квантовым компьютерам нужен гелий.

Они, в отличие от классических битов, могут находиться в состояниях 0 и 1 одновременно — в суперпозиции. Квантовые машины оперируют кубитами. Эта особенность позволяет машинам на основе кубитов решать некоторые задачи быстрее классических компьютеров — например, моделировать молекулярные и химические реакции. В вычислительной системе возникает явление квантового параллелизма, когда операции производятся одновременно с нулем и единицей.

Её нарушает даже небольшое колебание температуры, происходит так называемая декогеренция. Но здесь есть проблема: кубиты — объекты хрупкие и поддерживать суперпозицию они могут всего несколько наносекунд. Для достижения температур, близких к абсолютному нулю, компании используют жидкий гелий, а точнее, изотоп гелий-3, который не затвердевает в таких экстремальных условиях. Чтобы избежать разрушения кубитов, квантовым компьютерам приходится работать в условиях низких температур — 10 мК (–273,14°C).

В чем проблема

В ближайшем будущем ИТ-индустрия может столкнуться с нехваткой гелия-3 для разработки квантовых компьютеров. На Земле это вещество практически не встречается в естественном виде — его объем в атмосфере планеты составляет всего 0,000137% (1,37 частей на миллион по отношению к гелию-4). Гелий-3 является продуктом распада трития, производство которого остановили в 1988 году. У России и США есть некоторые его запасы, но они подходят к концу.

Нейтронный сканер является обязательным инструментом на всех американских таможнях с 2000 года. Ситуацию усугубляет тот факт, что довольно значимая часть гелия-3 уходит на производство нейтронных сканеров, используемых на пограничных пунктах для поиска радиоактивных материалов. В силу ряда данных факторов в США поставки гелия-3 уже контролируются правительственными органами, которые выдают квоты государственным и частным организациям, и ИТ-эксперты беспокоятся, что скоро на всех желающий гелия-3 начнет не хватать.

Насколько все плохо

Есть мнение, что нехватка гелия-3 окажет негативное влияние на квантовые разработки. Блейк Джонсон (Blake Johnson), вице-президент компании-производителя квантовых компьютеров Rigetti Computing в интервью MIT Tech Review рассказал, что хладагент невероятно трудно достать. Проблемы усугубляет его высокая стоимость — на заполнение одной холодильной установки уходит 40 тыс. долларов.

По словам вице-президента организации, на производство одного квантового компьютера уходит лишь небольшое количество гелия-3, которое можно назвать незначительным по сравнению с общим доступным объемом вещества. Но представители D-Wave, другого квантового стартапа, несогласны со мнением Блейка. Поэтому дефицит хладагента будет незаметен для квантовой промышленности.

Один из них — добыча изотопа из природного газа. Плюс сегодня прорабатываются другие методы добычи гелия-3, не связанные с тритием. Ранее этот подход считался экономически нецелесообразным, но с развитием технологий ситуация изменилась. Сперва он подвергается глубокой конденсации при пониженных температурах, а затем проходит через процессы сепарации и ректификации (отделения газовых примесей). В прошлом году о своих планах начать добычу гелия-3 заявили в «Газпроме».

В её поверхностном слое содержится до 2,5 млн тонн (таб. Ряд стран строит планы по добыче гелия-3 на Луне. По оценкам ученых, ресурса хватит на пять тысячелетий. 2) этого вещества. Разработкой соответствующей земной и лунной инфраструктуры занимаются Индия и Китай. В НАСА уже начали создавать проекты установок, которые перерабатывают реголит в гелий-3. Но реализовать её на практике получится не раньше 2030 года.

Еще один способ предотвратить дефицит гелия-3 — найти для него замену при производстве нейтронных сканеров. К слову, её уже обнаружили в 2018 году — ей стали кристаллы сульфида цинка и фторида лития-6. Они позволяют регистрировать радиоактивные материалы с точностью, превышающей 90%.


/ фото IBM Research CC BY-ND

Другие «квантовые» проблемы

Помимо дефицита гелия, есть и другие трудности, которые препятствуют развитию квантовых компьютеров. Первая — нехватка аппаратных компонентов. В мире пока мало крупных предприятий, занимающихся разработкой «начинки» для квантовых машин. Порой компаниям приходится ждать, пока изготовят систему охлаждения, больше года.

Такие инициативы уже запущены в США и Европе. Ряд стран пытается решить проблему за счет государственных программ. Она занимается производством компонентов для квантовых вычислительных систем. Например, совсем недавно в Нидерландах при поддержке Министерства экономики заработала компания Delft Circuits.

Спрос на них растёт, однако найти их не так просто. Ещё одна трудность — нехватка специалистов. Проблему решают ведущие технические университеты. По данным NYT, опытных «квантовых инженеров» в мире не более тысячи. Разработкой соответствующих академических программ занимаются и в американской National Quantum Initiative. Например, в MIT уже создают первые программы для обучения специалистов по работе с квантовыми машинами.

И в будущем можно ожидать новых технологических прорывов в этой области. В целом ИТ-эксперты убеждены, что проблемы, стоящие перед создателями квантовых компьютеров, вполне преодолимы.

О чем мы пишем в первом блоге о корпоративном IaaS:

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть