Wir sprechen über die Voraussetzungen und geben Expertenmeinungen ab.
/ Foto IBM Research CC BY-NDWarum Helium in Quantencomputern benötigt wird
Bevor wir uns der Geschichte über die Situation mit einem Mangel an Helium zuwenden, lassen Sie uns darüber sprechen, warum Quantencomputer im Allgemeinen Helium benötigen.
Quantenmaschinen arbeiten mit Qubits. Sie können sich im Gegensatz zu klassischen Bits gleichzeitig in den Zuständen 0 und 1 befinden - in Überlagerung. Das Phänomen der Quantenparallelität tritt in einem Computersystem auf, wenn Operationen gleichzeitig mit Null und Eins ausgeführt werden. Mit dieser Funktion können Qubit-basierte Maschinen einige Probleme schneller lösen als klassische Computer - beispielsweise um molekulare und chemische Reaktionen zu simulieren.
Es gibt jedoch ein Problem: Qubits sind zerbrechliche Objekte und können die Überlagerung nur wenige Nanosekunden aufrechterhalten. Schon eine leichte Temperaturschwankung bricht es, es kommt zur sogenannten
Dekohärenz . Um die Zerstörung von Qubits zu vermeiden, müssen Quantencomputer bei niedrigen Temperaturen von 10 mK (–273,14 ° C) arbeiten. Um Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt zu erreichen, verwenden Unternehmen flüssiges Helium bzw. das
Helium-3- Isotop, das sich unter solch extremen Bedingungen nicht verfestigt.
Was ist das Problem
In naher Zukunft könnte es in der IT-Branche zu einem Mangel an Helium-3 für die Entwicklung von Quantencomputern kommen. Auf der Erde kommt diese Substanz praktisch nicht in ihrer natürlichen Form vor - ihr Volumen in der Atmosphäre des Planeten
beträgt nur 0,000137% (1,37 ppm in Bezug auf Helium-4). Helium-3 ist das Zerfallsprodukt von Tritium, dessen Produktion 1988
eingestellt wurde (der letzte Schwerwasser-Kernreaktor wurde in den USA geschlossen). Nach dem Tritium begannen sie, aus den Bestandteilen stillgelegter Atomwaffen zu extrahieren, aber laut dem US-Kongressforschungsdienst erhöhte diese Initiative die strategischen Lagerbestände nicht wesentlich. Russland und die Vereinigten Staaten haben einige ihrer Reserven, aber
sie gehen zu Ende .
Die Situation wird durch die Tatsache verschärft, dass ein ziemlich bedeutender Teil von Helium-3 für die Herstellung von Neutronenscannern verwendet wird, die an Grenzpunkten zur Suche nach radioaktivem Material verwendet werden. Ein Neutronenscanner ist seit 2000 ein Muss bei allen US-Zollbehörden. Aufgrund einer Reihe dieser Faktoren in den USA wird die Helium-3-Versorgung bereits von Regierungsbehörden kontrolliert, die Quoten an öffentliche und private Organisationen vergeben, und IT-Experten befürchten, dass Helium-3 bald von allen vermisst wird, die es wollen.
Wie schlimm ist es
Es wird angenommen, dass sich das Fehlen von Helium-3 negativ auf die Quantenentwicklung auswirken wird. Blake Johnson, Vizepräsident des Quantencomputerherstellers Rigetti Computing, sagte in einem Interview mit MIT Tech Review, dass Kältemittel unglaublich schwer zu bekommen sei. Die Probleme werden durch die hohen Kosten verschärft - es dauert 40.000 Dollar, um eine Kühleinheit zu füllen.
Aber Vertreter von D-Wave, einem anderen Quanten-Startup, sind mit Blake nicht einverstanden. Laut
dem Vizepräsidenten der Organisation benötigt die Produktion eines Quantencomputers nur eine geringe Menge Helium-3, die im Vergleich zum gesamten verfügbaren Volumen der Substanz als unbedeutend bezeichnet werden kann. Daher wird das Kältemitteldefizit für die Quantenindustrie unsichtbar sein.
Außerdem werden heute andere Methoden zur Extraktion von Helium-3 entwickelt, die nicht mit Tritium verwandt sind. Eine davon ist die Gewinnung von Isotopen aus Erdgas. Zunächst kondensiert es bei niedrigen Temperaturen tief und durchläuft dann Trenn- und Rektifikationsprozesse (Trennung von Gasverunreinigungen). Früher galt dieser Ansatz als wirtschaftlich unzweckmäßig, aber mit der Entwicklung der Technologie hat sich die Situation geändert. Im vergangenen Jahr kündigte
Gazprom Pläne an, mit der Produktion von Helium-3 zu beginnen.
Eine Reihe von Ländern plant die Gewinnung von Helium-3 auf dem Mond. Seine Oberflächenschicht enthält bis zu 2,5 Millionen Tonnen (Tab. 2) dieser Substanz. Laut Wissenschaftlern wird die Ressource fünf Jahrtausende dauern. Die NASA hat bereits begonnen, Anlagendesigns zu entwickeln, die Regolith zu Helium-3 recyceln. Die Entwicklung einer geeigneten terrestrischen und Mondinfrastruktur in Indien und China . Aber um es in die Praxis umzusetzen, wird es erst 2030 funktionieren.
Eine andere Möglichkeit, einen Helium-3-Mangel zu verhindern, besteht darin, bei der Herstellung von Neutronenscannern einen Ersatz dafür zu finden. Es wurde übrigens
bereits 2018 entdeckt - es wurden Kristalle aus Zinksulfid und Lithium-6-fluorid. Sie ermöglichen die Aufzeichnung radioaktiver Stoffe mit einer Genauigkeit von mehr als 90%.
/ Foto IBM Research CC BY-NDAndere "Quanten" -Probleme
Neben dem Heliummangel gibt es weitere Schwierigkeiten, die die Entwicklung von Quantencomputern behindern. Das erste ist ein Mangel an Hardwarekomponenten. In der Welt gibt es nur wenige große Unternehmen, die an der Entwicklung der "Füllung" für Quantenmaschinen beteiligt sind. Manchmal müssen Unternehmen
länger als ein Jahr warten, bis sie ein Kühlsystem herstellen.
Eine Reihe von Ländern versucht, das Problem durch Regierungsprogramme zu lösen. Solche Initiativen wurden bereits in den USA und in Europa gestartet. Zum Beispiel wurde Delft Circuits zuletzt in den Niederlanden mit Unterstützung des Wirtschaftsministeriums ins Leben gerufen. Sie beschäftigt sich mit der Herstellung von Komponenten für Quantencomputersysteme.
Eine weitere Schwierigkeit ist der Mangel an Spezialisten. Die Nachfrage nach ihnen wächst, aber es ist nicht so einfach, sie zu finden. Laut NYT gibt es weltweit nicht mehr als tausend erfahrene „Quanteningenieure“. Führende technische Universitäten lösen das Problem. So werden am MIT bereits erste Programme zur Ausbildung von Spezialisten für die Arbeit mit Quantenmaschinen
erstellt . Die Entwicklung relevanter akademischer Programme wird auch im Rahmen der American National Quantum Initiative durchgeführt.
Im Allgemeinen sind IT-Experten davon überzeugt, dass die Probleme der Entwickler von Quantencomputern vollständig überwunden werden können. Und in Zukunft sind neue technologische Durchbrüche in diesem Bereich zu erwarten.
Worüber wir im ersten Corporate IaaS-Blog schreiben: