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/ foto IBM Research CC BY-ND¿Por qué se necesita helio en las computadoras cuánticas?
Antes de pasar a la historia sobre la situación con falta de helio, hablemos de por qué las computadoras cuánticas necesitan helio en general.
Las máquinas cuánticas funcionan con qubits. A diferencia de los bits clásicos, pueden estar en los estados 0 y 1 al mismo tiempo, en superposición. El fenómeno del paralelismo cuántico surge en un sistema informático cuando las operaciones se realizan simultáneamente con cero y uno. Esta característica permite que las máquinas basadas en qubit resuelvan algunos problemas más rápido que las computadoras clásicas, por ejemplo, para simular reacciones moleculares y químicas.
Pero hay un problema: los qubits son objetos frágiles, y pueden mantener la superposición solo unos pocos nanosegundos. Incluso una ligera fluctuación de temperatura lo rompe, se produce la llamada
decoherencia . Para evitar la destrucción de qubits, las computadoras cuánticas
tienen que trabajar a bajas temperaturas: 10 mK (–273.14 ° C). Para alcanzar temperaturas cercanas al cero absoluto, las empresas usan helio líquido, o más bien, el isótopo
helio-3 , que no se solidifica en condiciones tan extremas.
Cual es el problema
En el futuro cercano, la industria de TI puede enfrentar una escasez de helio-3 para el desarrollo de computadoras cuánticas. En la Tierra, esta sustancia prácticamente no se encuentra en su forma natural: su volumen en la atmósfera del planeta
es solo del 0,000137% (1,37 ppm en relación con el helio-4). El helio-3 es el producto de descomposición del tritio, cuya producción se
detuvo en 1988 (el último reactor nuclear de agua pesada se cerró en los Estados Unidos). Después del tritio, comenzaron a extraer de los componentes de las armas nucleares desmanteladas, pero según el Servicio de Investigación del Congreso de los Estados Unidos, esta iniciativa no aumentó significativamente las reservas estratégicas. Rusia y Estados Unidos tienen algunas de sus reservas, pero
están llegando a su fin .
La situación se ve agravada por el hecho de que una parte bastante significativa del helio-3 se gasta en la producción de escáneres de neutrones utilizados en los puntos fronterizos para buscar materiales radiactivos. Un escáner de neutrones ha sido una herramienta imprescindible en todas las Aduanas de EE. UU. Desde 2000. Debido a una serie de estos factores en los Estados Unidos, los suministros de helio-3 ya están controlados por agencias gubernamentales que emiten cuotas a organizaciones públicas y privadas, y los expertos de TI temen que pronto alguien que lo desee pueda perder pronto el helio-3.
Que tan malo es
Se cree que la falta de helio-3 tendrá un impacto negativo en el desarrollo cuántico. Blake Johnson, vicepresidente de la empresa de fabricación de computadoras cuánticas Rigetti Computing, dijo en una entrevista con MIT Tech Review que el refrigerante es increíblemente difícil de conseguir. Los problemas se ven agravados por su alto costo: se necesitan 40 mil dólares para llenar una unidad de refrigeración.
Pero los representantes de D-Wave, otra startup cuántica, no están de acuerdo con Blake. Según
el vicepresidente de la organización, la producción de una computadora cuántica solo requiere una pequeña cantidad de helio-3, que puede considerarse insignificante en comparación con el volumen total disponible de la sustancia. Por lo tanto, el déficit de refrigerante será invisible para la industria cuántica.
Además, hoy se están desarrollando otros métodos para la extracción de helio-3, no relacionados con el tritio. Uno de ellos es la extracción de isótopos del gas natural. Primero, sufre una condensación profunda a bajas temperaturas y luego pasa por procesos de separación y rectificación (separación de impurezas de gas). Anteriormente, este enfoque se consideraba económicamente inoportuno, pero con el desarrollo de la tecnología, la situación ha cambiado. El año pasado,
Gazprom anunció planes para comenzar a producir helio-3.
Varios países están haciendo planes para la extracción de helio-3 en la luna. Su capa superficial contiene hasta 2.5 millones de toneladas (tab. 2) de esta sustancia. Según los científicos, el recurso durará cinco milenios. La NASA ya ha comenzado a crear diseños de plantas que reciclan el regolito en helio-3. El desarrollo de una infraestructura terrestre y lunar apropiada involucrada en India y China . Pero ponerlo en práctica no funcionará hasta 2030.
Otra forma de prevenir la deficiencia de helio-3 es encontrar un reemplazo en la producción de escáneres de neutrones. Por cierto,
ya se descubrió en 2018: se convirtió en cristales de sulfuro de zinc y fluoruro de litio-6. Permiten grabar materiales radiactivos con una precisión superior al 90%.
/ foto IBM Research CC BY-NDOtros problemas "cuánticos"
Además de la deficiencia de helio, existen otras dificultades que impiden el desarrollo de las computadoras cuánticas. El primero es la falta de componentes de hardware. En el mundo hay pocas grandes empresas involucradas en el desarrollo del "llenado" para máquinas cuánticas. A veces, las empresas tienen que esperar hasta que produzcan un sistema de refrigeración durante
más de un año .
Varios países están tratando de resolver el problema a través de programas gubernamentales. Dichas iniciativas ya se han lanzado en los Estados Unidos y Europa. Por ejemplo, más recientemente en los Países Bajos, con el apoyo del Ministerio de Economía, se lanzó Delft Circuits. Se dedica a la producción de componentes para sistemas de computación cuántica.
Otra dificultad es la falta de especialistas. La demanda de ellos está creciendo, pero encontrarlos no es tan simple. Según NYT, no hay más de mil "ingenieros cuánticos" con experiencia en el mundo. Las principales universidades técnicas resuelven el problema. Por ejemplo, los primeros programas para capacitar a especialistas en el trabajo con máquinas cuánticas ya se están
creando en el MIT. El desarrollo de programas académicos relevantes también se está
llevando a
cabo en la Iniciativa Cuántica Nacional Estadounidense.
En general, los expertos en TI están convencidos de que los problemas que enfrentan los creadores de las computadoras cuánticas son completamente superables. Y en el futuro, se pueden esperar nuevos avances tecnológicos en esta área.
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