Нехватка гелия может замедлить развитие квантовых компьютеров — обсуждаем ситуацию

Рассказываем о предпосылках и приводим мнения экспертов индустрии.

^[1]
/ фото IBM Research ^[2] 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.

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

Но здесь есть проблема: кубиты — объекты хрупкие и поддерживать суперпозицию они могут всего несколько наносекунд. Её нарушает даже небольшое колебание температуры, происходит так называемая декогеренция ^[3]. Чтобы избежать разрушения кубитов, квантовым компьютерам приходится работать ^[4] в условиях низких температур — 10 мК (–273,14°C). Для достижения температур, близких к абсолютному нулю, компании используют жидкий гелий, а точнее, изотоп гелий-3 ^[5], который не затвердевает в таких экстремальных условиях.

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% ^[6] (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 ^[7].

Ситуацию усугубляет тот факт, что довольно значимая часть гелия-3 уходит на производство нейтронных сканеров, используемых на пограничных пунктах для поиска радиоактивных материалов. Нейтронный сканер является обязательным инструментом на всех американских таможнях с 2000 года. 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 ^[8], что хладагент невероятно трудно достать. Проблемы усугубляет его высокая стоимость — на заполнение одной холодильной установки уходит 40 тыс. долларов.

Но представители D-Wave, другого квантового стартапа, несогласны со мнением Блейка. По словам ^[9] 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. Поэтому дефицит хладагента будет незаметен для квантовой промышленности.

Плюс сегодня прорабатываются другие методы добычи гелия-3, не связанные с тритием. Один из них — добыча изотопа из природного газа. Сперва он подвергается глубокой конденсации при пониженных температурах, а затем проходит через процессы сепарации и ректификации (отделения газовых примесей). Ранее этот подход считался экономически нецелесообразным, но с развитием технологий ситуация изменилась. В прошлом году о своих планах начать добычу гелия-3 заявили в «Газпроме» ^[10].

Ряд стран строит планы по добыче гелия-3 на Луне. В её поверхностном слое содержится до 2,5 млн тонн ^[11] (таб. 2) этого вещества. По оценкам ученых, ресурса хватит на пять тысячелетий. В НАСА уже начали создавать проекты установок ^[12], которые перерабатывают реголит ^[13] в гелий-3. Разработкой соответствующей земной и лунной инфраструктуры занимаются Индия ^[14] и Китай ^[15]. 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 ^[16] в 2018 году — ей стали кристаллы сульфида цинка и фторида лития-6. Они позволяют регистрировать радиоактивные материалы с точностью, превышающей 90%.

/ фото IBM Research ^[17] 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 ^[8].

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

Ещё одна трудность — нехватка специалистов. Спрос на них растёт, однако найти их не так просто. По данным ^[18] NYT, опытных «квантовых инженеров» в мире не более тысячи. Проблему решают ведущие технические университеты. Например, в MIT уже создают ^[19] первые программы для обучения специалистов по работе с квантовыми машинами. Разработкой соответствующих академических программ занимаются ^[20] и в американской National Quantum Initiative.

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

• Год в действии: кого и за что наказали по GDPR ^[21]
• Развитие дата-центров: технологические тренды ^[22]
• Как повысить энергоэффективность дата-центра ^[23]
• Почему компании используют виртуальные машины, а не контейнеры ^[24]
• Как IaaS помогает развивать бизнес: три задачи, которые решит облако ^[25]
• Бессерверные вычисления в облаке – тренд современности или необходимость? ^[26]
• Как протестировать дисковую систему в облаке ^[27]

Автор: it_man

Источник ^[28]