Квантовый расчёт расплавленной соли приближает термоядерную энергию

Первый в истории квантовый расчёт материала для термоядерного реактора выполнен совместной командой из Ок-Риджской национальной лаборатории (ORNL), Кливлендской клиники и IBM. Учёные смоделировали молекулярные взаимодействия расплавленной соли FLiBe — ключевого кандидата для воспроизводства трития в будущих термоядерных электростанциях. Работа опубликована на arXiv и уже привлекла внимание как важный шаг к практической термоядерной энергетике.

FLiBe — это смесь фторидов лития и бериллия, которая в реакторе будет окружать плазму и захватывать высокоэнергетические нейтроны. При взаимодействии нейтронов с литием рождается тритий — редкий изотоп водорода, которого в природе ничтожно мало. Его нужно производить прямо внутри реактора, иначе термоядерное топливо быстро закончится. Но как именно тритий образуется, перемещается и связывается в расплавленной соли под действием экстремальных температур, радиации и магнитных полей — до сих пор оставалось загадкой.

Почему тритий — узкое место термояда

Термоядерный синтез обещает почти безграничную и чистую энергию, но топливный вопрос стоит остро. Для большинства проектируемых реакторов нужен тритий, а его естественные запасы мизерны. Выход один — нарабатывать тритий в самом реакторе, используя так называемый бридерный бланкет. Именно FLiBe рассматривается как один из лучших материалов для такого бланкета.

Проблема в том, что поведение FLiBe на атомном уровне крайне сложно описать. Классические суперкомпьютеры упираются в экспоненциальный рост вычислительной сложности при моделировании квантовых систем. Эксперименты дороги и не всегда возможны в условиях, приближенных к реакторным. Поэтому точное понимание того, насколько сильно тритий связывается с молекулами соли и как атомы перемещаются между разными конфигурациями, долго ускользало от исследователей.

Гибридный подход: квантовый процессор плюс классический суперкомпьютер

Команда применила квантово-центрический вычислительный подход: квантовый процессор берёт на себя квантово-механическую часть задачи, а классические компьютеры — всё остальное. Такая гибридная схема позволила рассчитать электронную структуру FLiBe с высокой точностью для девяти различных молекулярных конфигураций — как с присутствием трития, так и без него.

Расчёты показали, как атомы переходят из одной конфигурации в другую, и дали количественную оценку энергии связи трития на молекулярном уровне. Это именно те данные, которые трудно получить экспериментально или с помощью обычного моделирования. Методология опирается на вычислительные приёмы, ранее разработанные для моделирования очень больших биологических систем, и теперь перенесена в область материаловедения для термоядерных приложений.

Миссия Genesis и кооперация национального масштаба

Исследование входит в программу Genesis Mission Министерства энергетики США. Эта инициатива объединяет квантовые вычисления, искусственный интеллект, высокопроизводительные вычисления и крупные научные установки национальных лабораторий. В проекте участвуют семь национальных лабораторий, четыре университета, три промышленных партнёра и Кливлендская клиника. IBM предоставляет экспертизу в области квантово-центрических суперкомпьютеров, исследуя, как CPU, GPU и квантовые процессоры могут совместно решать задачи, недоступные классическим системам.

Кстати, мы уже писали о том, как квантовый компьютер IBM за 15 минут справился с задачей, на которую классическому суперкомпьютеру Fugaku не хватило бы возраста Вселенной — Квантовый компьютер за 15 минут решил задачу, на которую суперкомпьютеру не хватило бы возраста Вселенной. Нынешняя работа продолжает эту линию, но уже в прикладной области термоядерного материаловедения.

Что дальше: масштабирование и практические инструменты

Сейчас исследователи смоделировали лишь девять молекулярных конфигураций, но уже работают над расширением метода на гораздо более крупные и сложные системы. Одна из задач — сократить время обмена данными между классическими и квантовыми ресурсами, чтобы повысить общую эффективность вычислений.

По мере созревания квантового оборудования такой рабочий процесс может стать практическим инструментом для проектирования новых термоядерных материалов. Более точные симуляции позволят оценивать кандидатов до дорогостоящих экспериментов, ускоряя инновации во всей отрасли. Если прогресс продолжится, улучшенное воспроизводство трития станет реальностью, а коммерческая термоядерная энергия — на шаг ближе.

Пока же девять конфигураций FLiBe — это скорее демонстрация возможностей, чем готовое решение. Но сам факт, что квантовый компьютер впервые прикоснулся к материалу, от которого зависит топливный цикл будущих реакторов, заставляет серьёзно отнестись к перспективам гибридных вычислений. Возможно, именно они снимут одно из главных препятствий на пути к звёздной энергетике на Земле.