Квантовые компьютеры достигли прорыва в моделировании термоядерного топлива

В IBM применили квантовые вычисления для моделирования FLiBe — расплавленной соли, которая может быть использована для получения трития для будущих термоядерных реакторов

Наука и космос208 июл 22:31

Исследователи из Национальной лаборатории Министерства энергетики США Oak Ridge National Laboratory (ORNL), Cleveland Clinic и компании IBM впервые провели на квантовых компьютерах расчёт девяти молекулярных конфигураций материала FLiBe — расплавленной соли, состоящей из фтора, лития и бериллия, который рассматривается как один из многообещающих материалов для производства топлива для термоядерных реакторов.

Расчёты были сосредоточены на исследовании того, как атомы FLiBe взаимодействуют с тритием — редким изотопом водорода, необходимым для большинства концепций термоядерных установок. Тритий встречается в природе в крайне малых количествах, поэтому будущие реакторы должны будут самостоятельно производить или извлекать его.

Одной из основных задач в создании термоядерной энергетики остаётся обеспечение надежного источника трития. Для этого в реакторах планируется применять материалы, способные участвовать в его производстве и сохранении. Оптимизация состава FLiBe является одной из целей американской программы Genesis Mission, которая объединяет высокопроизводительные вычисления, искусственный интеллект и квантовые технологии для ускорения научных открытий.

FLiBe рассматривается как подходящий кандидат для использования в слоях материала вокруг плазменной камеры, где могут происходить процессы получения трития. Однако предсказать его поведение в условиях будущих установок сложно: состав соли может изменяться под воздействием интенсивного нейтронного излучения, высоких температур и магнитных полей.

Чтобы исследовать свойства материала на атомном уровне, команда применила подход, при котором квантовые компьютеры и классические суперкомпьютеры совместно решают различные части одной задачи. Этот метод позволил изучить электронную структуру FLiBe и выяснить, как именно атомы материала взаимодействуют с тритием. Ученые рассчитали энергию различных вариантов расположения атомов в молекулах соли с тритием и без него, а затем установили, какие конфигурации могут более эффективно связывать этот изотоп и каким образом происходят эти взаимодействия.

Ранее подобные задачи было непросто масштабировать из-за высокой вычислительной сложности. Классические методы позволяют получать приближенные результаты, но в некоторых случаях могут терять точность при моделировании сложных молекулярных систем. Квантовые вычисления открывают возможность напрямую исследовать квантовое поведение электронов в таких материалах, дополняя традиционные вычислительные системы.

В работе использовались методы, которые ранее применялись совместной командой IBM и Cleveland Clinic для моделирования сложных биологических систем, включая белковые структуры размером до 12 635 атомов. Теперь этот вычислительный подход был адаптирован из биологии в материаловедение для задач, связанных с термоядерной энергетикой.

Darth SaharaИсточники:arXivНаука и космос2IBMКвантовые вычисленияВысокопроизводительные вычисленияТермоядерная энергетика08 июл 22:31