Квантовые компьютеры смоделировали конфигурации материалов для термоядерного топлива
Кремний и кубиты против дефицита трития.
Группа исследователей из Окриджской национальной лаборатории и корпорации IBM впервые в истории применила квантовые вычисления для расчета девяти молекулярных конфигураций перспективного материала FLiBe, необходимого для производства топлива для термоядерного синтеза. Результаты этой новаторской работы ознаменовали важнейший шаг в решении проблемы дефицита трития – редкого изотопа, без которого невозможно функционирование большинства проектов термоядерных реакторов.
Исследовательская группа совершила прорыв в области термоядерной энергетики, впервые применив квантовые компьютеры для изучения сложнейших химических процессов на атомарном уровне. Объектом их изучения стал расплав соли на основе фтора, лития и бериллия, известный как FLiBe. Этот материал считается одним из главных кандидатов для создания так называемых бланкетов – оболочек реактора, в которых под действием нейтронов будет производиться дефицитный тритий.
Классические суперкомпьютеры, при всей их мощи, сталкиваются с серьезными ограничениями при попытке просчитать квантовое поведение электронов в столь сложных материалах. Расчеты требуют колоссальных вычислительных ресурсов и часто полагаются на приближенные методы, что может приводить к потере точности.
Именно здесь на помощь пришли квантовые машины, которые способны моделировать квантовую механику напрямую. Ученые применили гибридный подход, где наиболее сложные для классических процессоров задачи выделялись в отдельные квантовые схемы и решались на квантовом компьютере IBM, а остальные вычисления выполнялись на обычных мощностях.
Этот метод, ранее уже апробированный для моделирования биологических систем, состоящих из 12 с лишним тысяч атомов, был адаптирован для материаловедения. Такой симбиоз позволил ученым не просто рассчитать статичные структуры девяти конфигураций FLiBe, но и проследить за динамикой изменений, происходящих в материале под воздействием экстремальных факторов – колоссальной температуры, интенсивного нейтронного облучения и мощных магнитных полей, которые царят внутри реактора. Они смогли с высокой точностью определить, как сильно и каким именно образом разные молекулярные структуры связывают атомы трития.
Хотя текущие расчеты охватывают относительно небольшие системы, они демонстрируют огромный потенциал технологии. Ученые намерены продолжать работу над уменьшением времени передачи данных между квантовыми и классическими компонентами системы, а также над масштабированием размера симулируемых объектов.
Глобальная цель – создать рабочий алгоритм, который в будущем позволит инженерам напрямую «конструировать» и проверять свойства новых материалов для термоядерной энергетики, не прибегая к дорогостоящим и сложным физическим экспериментам.
В результате работы исследователи не только подтвердили, что квантовые компьютеры могут быть практическим инструментом для решения реальных научных задач, но и заложили фундамент для оптимизации состава материалов в термоядерных реакторах.
Полученные данные о девяти конфигурациях FLiBe и их взаимодействии с тритием позволяют точнее предсказывать эффективность производства топлива, что приближает человечество на шаг к созданию экологически чистой и практически неисчерпаемой энергии.
Научная публикация:
Susanta Das, Thiago J. Pinheiro Dos Santos, Subhamoy Bhowmik et al, «Quantum Computations on Fusion Blanket Molten Salts», https://doi.org/10.48550/arXiv.2606.30402
Присоединяйтесь к нам в соцсетях
