Квантовые вычисления вышибают дверь в проблеме термоядерной энергии, которая десятилетиями не давала покоя учёным. IBM вместе с Ок-Риджской национальной лабораторией и Кливлендской клиникой нашла новый способ моделировать, как термоядерные станции могли бы производить и улавливать тритий. Это редкое топливо встречается в нескольких распространённых радиоактивных объектах. Тритий образуется естественным образом, когда космические лучи достигают верхних слоёв атмосферы, но запасы ограничены: период полураспада всего 12 лет, и распад идёт быстро.

Нехватка трития — главный камень преткновения на пути к термоядерной энергетике. Но этот радиоактивный изотоп водорода можно получить, облучая нейтронами более доступный литий. Проблема в том, что тритий чрезвычайно трудно поймать и использовать повторно. Расплавленная соль FLiBe (фтор, литий, бериллий) способна окружать термоядерную реакцию как одеяло и помогать в этом процессе. Учёным нужно понять, какой рецепт наиболее эффективен, но расчёты такого масштаба классическим компьютерам не под силу.

Выход — поручить классическим компьютерам простое моделирование, а квантовому железу IBM доверить определение девяти конкретных молекулярных конфигураций этого материала. Так удалось смоделировать поведение расплавленной соли с тритием и без него. IBM называет это первым известным случаем вычислений для термоядерных материалов на квантовых компьютерах.

Термоядерный синтез — дружелюбный родственник ядерного деления. Вместо расщепления атомов он их соединяет, как в недрах Солнца. Процесс не порождает цепных реакций и даёт короткоживущие радиоактивные отходы. Риск расплавления ниже, экологический след меньше, чем у деления. Потенциал огромен — именно поэтому прорыв в квантовых вычислениях так важен.

Управлять термоядерным синтезом невероятно сложно. Процесс может быть горячее Солнца, и работающая станция должна поглощать термоядерные нейтроны, создавать тритий и улавливать его обратно в топливо в этих условиях. Здесь и пригождаются квантовые вычисления IBM. Модели помогают рассчитать, насколько сильно тритий связывается с расплавленной солью — ключевой тест на то, сможет ли будущая термоядерная станция восстановить достаточно топлива для непрерывной работы.

Именно из-за этих трудностей коммерческих термоядерных станций пока нет нигде в мире. Министерство энергетики США разработало дорожную карту по их строительству, но она осуществится только после новых прорывов в производстве топлива и конструкции реакторов. IBM, возможно, первой коммерциализирует квантовые вычисления, но для этого придётся вложить миллиарды долларов.

Прорывы не ограничиваются энергетикой. В мае 2026 года IBM объявила, что учёные с помощью квантовых вычислений смоделировали, как лекарственные молекулы прикрепляются к белкам в воде — реакции, похожие на те, что происходят внутри человеческого тела. Это может дать фармацевтическим разработчикам способ заранее предсказывать, какие молекулы стоит тестировать, ещё до начала лабораторной работы.

Проблема, которая десятилетиями не давала покоя разработчикам термоядерных реакторов, упирается в редчайший изотоп водорода — тритий. В природе его почти нет: весь мировой запас измеряется десятками килограммов, и добывают его в основном в тяжеловодных реакторах. Для будущих термоядерных электростанций, которые должны работать на смеси дейтерия и трития, это тупик. Реактору нужно топливо, которого на Земле практически не существует.

Выход, который рассматривают физики, — производить тритий прямо внутри реактора. Вокруг раскалённого плазменного кольца, где сливаются ядра дейтерия и трития, планируется разместить толстый слой расплавленной соли из фтора, лития и бериллия — так называемый FLiBe. Когда нейтроны из плазмы врезаются в атомы лития, те расщепляются, порождая новый тритий. Схема элегантная, но у неё есть ахиллесова пята: никто не мог точно предсказать, как поведёт себя свежеобразованный тритий в этой раскалённой химической среде.

Почему тритий — главный камень преткновения

Если тритий вступит в связь с фтором, он станет коррозионно-агрессивным, и извлечь его из соли будет крайне сложно. Если же он останется в свободном, газообразном состоянии — его можно будет откачивать и снова подавать в реактор. Разница между этими сценариями — это разница между работающей электростанцией и дорогостоящим экспериментом, который не может сам себя обеспечивать топливом.

Классические суперкомпьютеры с этой задачей не справлялись. Даже самые продвинутые методы, вроде теории функционала плотности, давали погрешность до 10 процентов при оценке энергетических состояний. Для инженерных решений такой разброс — приговор: невозможно понять, будет ли тритий накапливаться в нужной форме или свяжется с фтором и испортит всю конструкцию.

Квантовый подход вместо тупика

Команда из Ок-Риджской национальной лаборатории (ORNL), Кливлендской клиники и IBM пошла другим путём. Они применили так называемый квантово-центричный суперкомпьютинг — гибридную схему, в которой большая химическая задача разбивается на фрагменты. Простые части считают обычные компьютеры, а самые сложные квантовые взаимодействия берёт на себя квантовый процессор.

Этот же подход Кливлендская клиника и IBM уже использовали ранее в этом году, когда моделировали белок из 12 635 атомов — одну из крупнейших молекулярных систем, когда-либо просчитанных с участием квантового компьютера. Теперь та же методика легла в основу работы с FLiBe.

Исследователи смоделировали девять различных конфигураций расплавленной соли и сравнили результаты квантово-ассистированных расчётов с лучшими доступными классическими методами. Препринт опубликован на arXiv, и, судя по всему, квантовый подход впервые дал результаты, которым можно доверять там, где классические компьютеры годами буксовали.

Genesis Mission: ставка на объединение технологий

Работа с тритием — часть гораздо более масштабной программы Министерства энергетики США под названием Genesis Mission. Её цель — объединить искусственный интеллект, квантовые вычисления и высокопроизводительные суперкомпьютеры по всем национальным лабораториям страны. Для термоядерной энергетики это не просто исследовательский интерес: без надёжного способа производить тритий реакторы никогда не выйдут за пределы экспериментальных установок.

Том Бек, руководитель отдела научного взаимодействия ORNL, прямо связывает квантовые машины IBM с будущим термоядерной энергетики: по его словам, именно такие компьютеры, усиленные ИИ и вычислениями экзафлопсного класса, ускоряют циклы открытий и проектирования, необходимые для производства достаточного количества трития.

Джерри Чоу, технический директор IBM по квантово-центричному суперкомпьютингу, формулирует ещё шире: объединение квантовых, ИИ и классических вычислений он называет ключом к решению самых фундаментальных научных задач общества.

Что дальше

До промышленного применения ещё годы. Исследователи планируют увеличивать размер молекулярных кластеров и расширять число изучаемых конфигураций. Но сам факт, что квантовый компьютер выдал достоверные результаты на задаче, которая ставила в тупик классические методы, — это поворотный момент.

В мире уже строятся несколько экспериментальных термоядерных реакторов. Если вычислительные мощности продолжат расти теми же темпами, топливная проблема может быть решена ещё до того, как эти установки выйдут на полную мощность. И тогда термоядерная энергия из концепции «через двадцать лет» превратится в реальный источник чистой энергии.

Кстати, мы уже писали о том, как квантовый компьютер впервые рассчитал соль для термоядерного реактора — тогда речь шла о первых девяти конфигурациях FLiBe, и нынешняя работа развивает именно тот прорыв.

Почему термояд без трития — это тупик

Термоядерный синтез обещает чистую энергию без цепных реакций и с меньшим количеством радиоактивных отходов, чем деление. Но чтобы реакция пошла, нужны два изотопа водорода — дейтерий и тритий. При температурах выше 100 миллионов градусов они сливаются в гелий, выделяя колоссальную энергию и поток нейтронов.

Проблема в том, что тритий — один из самых редких и дорогих материалов на Земле. Коммерческий реактор не сможет полагаться на внешние поставки: ему придётся производить топливо прямо на месте. Для этого горячую плазму окружают бланкетом из расплавленной соли FLiBe — смеси фторидов лития и бериллия. Нейтроны из плазмы попадают в эту жидкость, ударяют по литию, и в результате ядерной реакции рождается новый тритий. Его нужно затем извлечь из раскалённой, химически агрессивной смеси.

Классические суперкомпьютеры упираются в стену

Ключевой вопрос для инженеров: в какой форме тритий окажется в соли? Растворится ли он как газ или свяжется с фтором, образуя токсичный фторид трития? От этого зависит, каким способом его потом вытаскивать.

До сих пор поведение трития в FLiBe пытались моделировать на классических суперкомпьютерах. Но квантово-механические эффекты в такой системе настолько сложны, что расчёты давали погрешность до десяти процентов. Для проектирования реального реактора этого слишком много.

Гибридный подход вместо чистого кванта

IBM вместе с Ок-Риджской национальной лабораторией и Кливлендской клиникой предложила иной путь — так называемое квантово-центричное суперкомпьютинг. Это гибридная схема: классические машины берут на себя относительно простые части химической симуляции, а квантовый процессор считает самые сложные атомные кластеры, где обычные методы пасуют.

Именно так команда впервые смоделировала поведение трития в расплавленной соли FLiBe на квантовом компьютере. IBM называет это первой известной попыткой расчёта термоядерных материалов на квантовом оборудовании.

Масштаб пока скромный, но вектор ясен

Стоит остудить восторги: в нынешнем прогоне исследователи рассчитали всего девять конфигураций небольшого кластера из 21 иона. Настоящий бланкет термоядерного реактора — это метровый слой соли с невообразимым числом частиц, и до его полного моделирования ещё далеко.

Однако работа — часть программы Genesis Министерства энергетики США. Её цель — объединить искусственный интеллект, суперкомпьютеры и квантовые машины в единую автоматизированную цепочку анализа. Если это удастся, разработчики смогут оптимизировать свойства множества солевых смесей на компьютере, не тратя время и деньги на дорогостоящие лабораторные тесты. Коммерческий реактор это не приблизит мгновенно, но один из главных технологических барьеров теперь выглядит преодолимым.