Ученые из Окриджской национальной лаборатории (ORNL), Кливлендской клиники и IBM использовали квантовые компьютеры для расчета молекулярных конфигураций ключевого материала термоядерного топлива. По словам ученых, это первая известная демонстрация такого рода.

Работа посвящена FLiBe — расплавленной соли, состоящей из фтора, лития и бериллия, которая считается одним из основных материалов для производства и извлечения трития в будущих термоядерных реакторах. Тритий — крайне редкий изотоп водорода, необходимый для работы большинства предлагаемых термоядерных электростанций.

Исследователи рассчитали девять молекулярных конфигураций FLiBe с помощью квантово-ориентированных суперкомпьютеров, объединяющих квантовые и классические компьютеры для решения задач, которые становятся все более сложными для обычных вычислительных систем.

Результаты могут помочь ученым лучше понять, как тритий взаимодействует с расплавленной солью на атомном уровне, и получить информацию, необходимую для оптимизации будущих термоядерных реакторов и улучшения производства трития.

В погоне за термоядерным топливом

Обеспечение достаточного количества трития остается одной из самых серьезных проблем, стоящих на пути развития коммерческой термоядерной энергетики. Поскольку этот изотоп встречается в природе лишь в ничтожно малых количествах, предполагается, что в будущих реакторах тритий будет вырабатываться самостоятельно с помощью таких материалов, как фторид лития-бериллия, в окружении расплавленной соли.

Квантовые компьютеры особенно хорошо подходят для изучения поведения электронов, которые определяют, как атомы связываются друг с другом и взаимодействуют. В этой работе исследователи применили те же квантово-ориентированные вычислительные методы, которые ранее использовались для моделирования белков, содержащих 12 635 атомов, распространив этот подход из области биологии на материаловедение. 

“Чтобы продемонстрировать возможности, катализируемые миссией Genesis, мы собрали команду ведущих экспертов из семи национальных лабораторий DOE, четырех университетов, трех отраслевых партнеров и клиники Кливленда для проведения многоцелевого цикла открытий, направленного на оптимизацию производства трития в материалах для термоядерного синтеза солей”, - сказал Том Бек, руководитель отдела по взаимодействию с наукой в Управлении вычислительной техники ORNL.

«Квантовые компьютеры, такие как созданные IBM и усовершенствованные с помощью искусственного интеллекта и экзафлопсных вычислений, являются ключевыми инструментами, ускоряющими циклы исследований и проектирования, необходимые для производства достаточного количества трития для термоядерных реакторов».

Достижения в области гибридных вычислений

Ученые использовали квантово-ориентированные суперкомпьютеры, которые позволяют квантовым процессорам и классическим компьютерам работать вместе. Квантовые схемы выполняли те части вычислений, которые лучше всего подходили для квантового оборудования, а обычные компьютеры решали остальные задачи.

Такой подход позволил команде рассчитать электронную структуру FLiBe с тритием и без него и определить, насколько сильно различные молекулярные конфигурации связывают топливо. По словам исследователей, эти взаимодействия на атомном уровне сложно точно описать с помощью одних только классических методов аппроксимации.

«Эта работа основана на наших достижениях в области масштабного моделирования сложных биологических систем, в том числе белков, состоящих из 12 635 атомов, и распространяет эти методы на материаловедение, чтобы с большей точностью и эффективностью исследовать системы, имеющие отношение к термоядерному синтезу», — сказал Кеннет Мерц, доктор философии, автор исследования и научный сотрудник Кливлендской клиники.