هلیوم-۳ (He-3) خواص منحصر به فردی دارد که آن را در زمینه‌های مختلفی از جمله انرژی هسته‌ای و محاسبات کوانتومی ارزشمند می‌کند. اگرچه He-3 بسیار نادر است و تولید آن چالش برانگیز است، اما نویدبخش آینده محاسبات کوانتومی است. در این مقاله، به بررسی زنجیره تأمین تولید He-3 و استفاده از آن به عنوان مبرد در رایانه‌های کوانتومی خواهیم پرداخت.

تولید هلیوم ۳

تخمین زده می‌شود که هلیوم ۳ به مقدار بسیار کمی در زمین وجود داشته باشد. تصور می‌شود که بیشتر هلیوم ۳ موجود در سیاره ما توسط خورشید و سایر ستارگان تولید می‌شود و همچنین اعتقاد بر این است که به مقدار کمی در خاک ماه نیز وجود دارد. در حالی که کل عرضه جهانی هلیوم ۳ ناشناخته است، تخمین زده می‌شود که در حدود چند صد کیلوگرم در سال باشد.

تولید He-3 یک فرآیند پیچیده و چالش برانگیز است که شامل جداسازی He-3 از سایر ایزوتوپ‌های هلیوم می‌شود. روش اصلی تولید، پرتودهی ذخایر گاز طبیعی و تولید He-3 به عنوان یک محصول جانبی است. این روش از نظر فنی دشوار است، به تجهیزات تخصصی نیاز دارد و فرآیندی گران است. هزینه تولید He-3 استفاده گسترده از آن را محدود کرده است و همچنان یک کالای نادر و ارزشمند است.

کاربردهای هلیوم-۳ در محاسبات کوانتومی

محاسبات کوانتومی یک حوزه نوظهور با پتانسیل عظیم برای ایجاد انقلابی در صنایع مختلف از امور مالی و مراقبت‌های بهداشتی گرفته تا رمزنگاری و هوش مصنوعی است. یکی از چالش‌های اصلی در توسعه رایانه‌های کوانتومی، نیاز به یک مبرد برای خنک کردن بیت‌های کوانتومی (کیوبیت‌ها) تا دمای عملیاتی بهینه آنهاست.

He-3 ثابت کرده است که انتخابی عالی برای خنک‌سازی کیوبیت‌ها در رایانه‌های کوانتومی است. He-3 دارای چندین ویژگی است که آن را برای این کاربرد ایده‌آل می‌کند، از جمله نقطه جوش پایین، رسانایی حرارتی بالا و توانایی مایع ماندن در دماهای پایین. چندین گروه تحقیقاتی، از جمله گروهی از دانشمندان دانشگاه اینسبروک در اتریش، استفاده از He-3 را به عنوان مبرد در رایانه‌های کوانتومی نشان داده‌اند. در مطالعه‌ای که در مجله Nature Communications منتشر شد، این تیم نشان داد که He-3 می‌تواند برای خنک‌سازی کیوبیت‌های یک پردازنده کوانتومی ابررسانا تا دمای عملیاتی بهینه استفاده شود و اثربخشی آن را به عنوان یک مبرد محاسبات کوانتومی نشان می‌دهد.

مزایای هلیوم-۳ در محاسبات کوانتومی

استفاده از He-3 به عنوان مبرد در یک کامپیوتر کوانتومی چندین مزیت دارد. اول اینکه، محیطی پایدارتر برای کیوبیت‌ها فراهم می‌کند، خطر خطا را کاهش می‌دهد و قابلیت اطمینان کامپیوترهای کوانتومی را بهبود می‌بخشد. این امر به ویژه در زمینه محاسبات کوانتومی اهمیت دارد، جایی که حتی خطاهای کوچک می‌توانند تأثیر زیادی بر نتیجه داشته باشند.

دوم، He-3 نقطه جوش پایین‌تری نسبت به سایر مبردها دارد، به این معنی که کیوبیت‌ها می‌توانند تا دماهای پایین‌تری خنک شوند و کارآمدتر عمل کنند. این افزایش راندمان می‌تواند منجر به محاسبات سریع‌تر و دقیق‌تر شود و He-3 را به یک جزء مهم در توسعه رایانه‌های کوانتومی تبدیل کند.

در نهایت، He-3 یک مبرد غیرسمی و غیر قابل اشتعال است که نسبت به سایر مبردها مانند هلیوم مایع، ایمن‌تر و سازگارتر با محیط زیست است. در جهانی که نگرانی‌های زیست‌محیطی اهمیت بیشتری پیدا می‌کنند، استفاده از He-3 در محاسبات کوانتومی، جایگزین سبزتری را ارائه می‌دهد که به کاهش ردپای کربن این فناوری کمک می‌کند.

چالش‌ها و آینده‌ی هلیوم-۳ در محاسبات کوانتومی

علیرغم مزایای آشکار He-3 در محاسبات کوانتومی، تولید و عرضه He-3 همچنان یک چالش بزرگ است و موانع فنی، لجستیکی و مالی زیادی برای غلبه بر آن وجود دارد. تولید He-3 یک فرآیند پیچیده و گران است و عرضه محدودی از ایزوتوپ موجود است. علاوه بر این، حمل و نقل He-3 از محل تولید به محل استفاده نهایی آن یک کار چالش برانگیز است که زنجیره تأمین آن را پیچیده تر می کند.

با وجود این چالش‌ها، مزایای بالقوه He-3 در محاسبات کوانتومی، آن را به یک سرمایه‌گذاری ارزشمند تبدیل می‌کند و محققان و شرکت‌ها همچنان به دنبال راه‌هایی برای تولید و استفاده از آن هستند. توسعه مداوم He-3 و استفاده از آن در محاسبات کوانتومی، نویدبخش آینده این حوزه به سرعت در حال رشد است.