Нехватка гелия может замедлить развитие квантовых компьютеров — обсуждаем ситуацию

    Рассказываем о предпосылках и приводим мнения экспертов.


    / 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.

    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. Чтобы избежать разрушения кубитов, квантовым компьютерам приходится работать 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, 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% (1,37 частей на миллион по отношению к гелию-4). Гелий-3 является продуктом распада трития, производство которого остановили в 1988 году (в США закрыли последний тяжеловодный ядерный реактор). После тритий начали добывать из компонентов списанного ядерного вооружения, но по данным Исследовательской службы Конгресса США, эта инициатива не позволила значительно увеличить запасы стратегического вещества. У России и США есть некоторые его запасы, но они подходят к концу.

    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 желающих 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.

    Но представители D-Wave, другого квантового стартапа, несогласны со мнением Блейка. 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. 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».

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

    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 NYT, опытных «квантовых инженеров» в мире не более тысячи. Проблему решают ведущие технические университеты. Например, в MIT уже создают первые программы для обучения специалистов по работе с квантовыми машинами. Разработкой соответствующих академических программ занимаются 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.



    О чем мы пишем в первом блоге о корпоративном IaaS:

    ИТ-ГРАД
    157,59
    vmware iaas provider
    Поделиться публикацией

    Комментарии 14

      0
      … Гелий-3 является продуктом распада трития, производство которого остановили в 1988 году…

      … Удобным местом в активной зоне для производства трития были признаны стержни с выгорающим поглотителем (СВП). Тихоокеанская национальная лаборатория при поддержке лаборатории Айдахо создала проект стержней TPBAR

      В 1999 году министерство энергетики США заключило договор с компанией TVA на облучение стержней TPBAR на АЭС «Уоттс Бар» и «Секвойя». В 2000 году NNSA выплатило компании плату за облучение, а также выдало обязательство покрывать все дополнительные расходы, связанные с облучением. Общая сумма сделки оценивалась в 1,5 миллиарда долларов за 35 лет.

      TVA обратилась в комиссию по ядерному регулированию (NRC) США с просьбой о внесении поправок в лицензии, позволяющих приступить к наработке трития. Это было сделано в 1997 году. В этом же году первая партия из 32 стержней была загружена в активную зону.

      Результаты квалификации были признаны успешными, и в 2002 году TVA добилась от регуляторов нового дополнения к лицензии, согласно которому она получила право загружать в «Уоттс Бар-1» до 2304 TPBAR за кампанию.

      Собственно к наработке трития приступили в 2003 году, и первая партия стержней ушла на переработку после полуторагодичного облучения. Единственным блоком, в который загружались TPBAR, был и остаётся «Уоттс Бар-1».

      Изготовителем первой партии стержней стала Тихоокеанская национальная лаборатория. В 2000 году контракт на производство TPBAR был подписан с компанией «WesDyne International», дочерней фирмой «Westinghouse». Компания закупила необходимое оборудование и организовала выпуск стержней на одном из заводов «Westinghouse» в Южной Каролине — там же, как фабрикуется топливо для блока «Уоттс Бар-1».

      Загрузка TPBAR в активную зону производится одновременно с частичной перегрузкой топлива. После облучения в течение 18 месяцев, стержни несколько месяцев выдерживаются и затем перевозятся в Саванна-Ривер для переработки в специализированном цехе «Tritium Extraction Facility», построенном в 2007 году и обошедшемся американской казне в 500 миллионов долларов.

      Переработка TPBAR происходит обычным образом — вскрываются стержни и выделяется тритий. Образующиеся низкоактивные отходы хранятся в Саванна-Ривер. Полученный тритий передаётся министерству обороны США.

      ...




      … Компания TVA обратилась в середине августа (2014 г.) в комиссию по ядерному регулированию (NRC) США с просьбой разрешить более чем вдвое увеличить объём наработки трития на блоке «Watts Bar-1».

      Тритий нарабатывается по заказу правительства США в специализированных стержнях-выгорающих поглотителях TPBAR. Изотоп имеет военное применение.

      Облучение первой промышленной партии стержней TPBAR на блоке началось в 2003 году. Компания до настоящего момента не вышла на планируемые показатели по количеству загружаемых стержней вследствие проблем со скоростью утечки трития в теплоноситель...
        +3
        В общем ясно — надо лететь за ним на Луну )
          +2
          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, который не затвердевает в таких экстремальных условиях.
          А гелий-4 точно затвердевает?
            +1
            А гелий-4 точно затвердевает?
            ИМХО скорее всего тут речь идет о сверхтекучести:
            у Гелий-4 она возникает при 2,17 K, а у Гелий-3 при 0,0026 К — см Гелий, Свойства конденсированных фаз
              0
              Сверхтекучесть как-то мешает достигнуть более низких температур? По моему весь хайп вокруг этого гелия3, только для того чтоб найти причину зачем кому-то нужно лететь на луну, и тратить на это еще большие в сто раз деньги налогоплательщиков.
                +1
                Сверхтекучесть как-то мешает достигнуть более низких температур?
                Это фазовый переход, при котором возможны относительно «резкие» изменения температуры, а поскольку
                … кубиты — объекты хрупкие и поддерживать суперпозицию они могут всего несколько наносекунд. Её нарушает даже небольшое колебание температуры, происходит так называемая декогеренция...
                то «это не есть хорошо».
                P.S. ИМХО, конечно.
                  –1
                  Но ведь сперва достигают самой низкой температурной точки, и только потом уже спутывают кубиты, а не в промежутке между переходами в сверхтекучесть.

                  P.S. ИМХО, конечно.
                    0
                    сперва достигают самой низкой температурной точки
                    Там все несколько хитрее:
                    Двухкомпонентность
                    Сверхтекучие жидкости, такие как гелий-4 ниже лямбда-точки, имеют немало необычных свойств. Сверхтекучесть работает так, как будто жидкость представляет собой смесь составляющих со свойствами обычной жидкости и сверхтекучей компонент.
                    Второй звук
                    Второй звук — слабозатухающие колебания температуры и энтропии в сверхтекучем гелии.
                    Возможно, что в данном случае это может быть одной из причин декогеренции.
                    +1

                    Для нескольких наиболее популярных физических типов квантовых компьютеров требуются температуры порядка десятков милликельвинов — https://qudev.phys.ethz.ch/content/courses/ASC04_SCqubits_Review.pdf "frequency for superconducting qubits is in the 5-20 GHz range and therefore, the operating temperature temperature T must be around 20 mK (Recall that 1 K corresponds to about 20 GHz)."


                    В длительном режиме такие температуры могут обеспечивать лишь холодильные установки на смеси гелия-3 и гелия-4 — https://en.wikipedia.org/wiki/Dilution_refrigerator
                    http://www.oxford-instruments.cn/OxfordInstruments/media/nanoscience/Priciples-of-dilution-refrigeration_v14.pdf
                    (примерно до 1 кельвина непрерывно работает кипение гелия-4 в вакууме — https://en.wikipedia.org/wiki/1-K_pot; а магнитно-ядерно-солевые — импульсные и при работе вероятно разрушают квантовые состояния — см https://quantumcomputing.stackexchange.com/questions/41/what-cryogenic-systems-are-suitable-for-superconducting-qubits).


                    В Dilution refrigerator используют странные свойства низкотемпературной смеси ферми-жидкости гелия-3 в сверхтекучем гелии-4 — запрет на высокие концентрации He3 в смеси. Концентрированный гелий-3 растворяется в сверхтекучем гелии-4 с потреблением теплоты, затем в составе раствора гелий-3 извлекается из камеры смешивания.
                    Время работы холодильника для охлаждения от комнатной температуры до десятков милликельвинов — около суток, мощность охлаждения — единицы милливатт.


                    Стоимость холодильника и сопутствующего оборудования (компрессоры, вакуумные бочки, сверхпроводниковые магниты для изоляции от внешних магнитных полей, кабели) — порядка 0.5-1 млн долларов (также встречал жалобы на длительное изготовление), стоимость гелия-3 для 1 холодильника (20 литров н.у.?) — десятки тысяч долларов: https://www.technologyreview.com/s/612760/quantum-computers-component-shortage/


                    Rigetti, like Google and IBM, is focused on using electrons flowing through superconducting wires cooled to extreme temperatures, which explains the need for the dilution fridges. The problem is that these huge cylinders, which can cost between $500,000 and $1 million each, are custom-made, and researchers say that only a few companies, like BlueFors in Finland and Oxford Instruments in the UK, are producing high-quality ones.
                    The fridges also require a combination of gases for supercooling, including helium-3, an isotope of helium that Johnson says is “excruciatingly hard” to find.… The gas is so rare that it can cost up to $40,000 for the amount needed for a fridge.

                    Производство гелия-3 на 2009 год оценивалось в 15-25 тыс. литров в год — https://www.pnnl.gov/main/publications/external/technical_reports/PNNL-18388.pdf

                      0

                      Чуть понятнее о необходимости температур — http://cs.brown.edu/courses/csci1800/sources/2018_NAE_QuantumComputing_ProgressAndProspects.pdf#page=171
                      (National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine 2018. Quantum
                      Computing: Progress and Prospects. Washington, DC: The National Academies
                      Press. https://doi.org/10.17226/25196 http://nap.edu/25196)


                      Кратко: Для сверхпроводникового кубита с частотами около 5ГГц (что соответствует тепловой энергии около 250 миллиКельвинов) требуется заметно более низкая температура чтобы избежать теплового возбуждения (и разрушения состояния). Для полезных применений квантового отжига требуется еще более низкая температура, которую достичь нечем.


                      Superconducting qubits require milli-Kelvin (mK) temperatures to operate. For digital quantum computing, the qubit operation frequency is typically around 5 GHz, which corresponds to a thermal energy of approximately 250 mK; the qubit must thus be operated at much lower temperatures in order to avoid unwanted thermal excitation of the excited state. This is achieved using commercial 3He/4He dilution refrigerators, which are capable of cooling to sub-10 mK temperatures. On the other hand, for most practical potential uses of a quantum annealer, the qubits will at times operate at frequencies corresponding to thermal temperatures much lower than those achievable with a dilution refrigerator, which make it nearly certain that thermal noise will affect the annealing protocol and drive the system out of its ground state.

                      Modern dilution refrigerators leverage electromechanical pulse-tube coolers to achieve cooling in two stages, one at 50 K and one at 3 K. These are called “dry” refrigerators, as they do not require consumable liquid helium coolant to reach these temperatures. Then, at 3 K, a closed-cycle mixture of helium isotopes—3 He and 4 He—is condensed and circulated to achieve cooling through a series of stages at temperatures of 700 mK, 50 mK, and the base temperature of approximately 10 mK. Cooling from room temperature to base temperature generally takes about 36 to 48 hours, and the refrigerator can remain cold indefinitely.

                      In contemporary commercial dilution refrigerators, the experimental volume at base temperature is about (0.5 m)3 and the cooling power at base temperature / 20 mK / 100 mK is approximately 0 (by definition) / 30 μW / 1000 μW, respectively.

                      While the superconducting chips are relatively small—typically 5 × 5 mm2 —it is the number of wires that feed the chip and their connectors that dictate the size of the package. For the high isolation needed for quantum circuits, coaxial connectors, coaxial wiring harnesses, miniature multipin connectors, and so on are types of connectors being used to bring signals into the package. The higher isolation that these connectors provide make them larger than the simple pin or ball connection used in packages for conventional silicon devices, and thus the number of signals per unit area is much smaller.
              +1
              в условиях низких температур — 10 мК (–273,14°C)

              По Цельсию почти ни о чём вышло. ИМХО, "10 мК (практически при абсолютном нуле)" было бы нагляднее и не менее информативно, а так — тут счёт идёт на тысячные градуса, а тут на сотые.

                0
                А почему на Земле гелия так мало? Он же вроде один из самых распространённых элементов во Вселенной?
                  +1
                  Гелия на Земле не так уж и мало, но в основном это Гелий-4.
                  В статье же речь идёт его изотопе Гелии-3, которого действительно очень мало, распространённость этого изотопа в природе около 0,000137%.
                    +1
                    Гелий, как и водород слишком лёгкий и гравитация Земли его не задерживает — он просто улетучивается в космос. К тому же, в статье речь идёт не о просто гелии, а о его редко встречающемся изотопе.

                  Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                  Самое читаемое