Квантовый компьютер впервые рассчитал рецепт термоядерного топлива

Химики впервые использовали квантовый компьютер для расчета топлива для термоядерного синтеза, как описано в препринте на arXiv. Целью работы было протестировать квантовые вычисления там, где они должны быть непревзойденными, и понять, как их улучшить, чтобы результаты можно было применить на практике.

Тритий является сырьем для термоядерного синтеза. Его нужно совсем немного – полкило на сутки работы гигаваттного реактора. Но этот изотоп почти не встречается в природе; его необходимо производить непосредственно на месте.

Полуфабрикат представляет собой расплав тетрафторбериллата лития FLiBe. Когда нейтрон выходит из реакции термоядерного синтеза и сталкивается с атомом лития-6, он распадается на гелий и тритий. Бериллий в смеси умножает количество высвобождаемых нейтронов, поэтому композиция производит достаточно топлива для поддержания реакции. Фтор и литий объединяются, образуя соль, которая остается жидкой и стабильной при высокой температуре реактора.

Производство топлива — лишь одна из задач расплавленной соли. Этот же материал должен защищать магниты реактора от нейтронного излучения, охлаждать стенку, обращенную к плазме, и отводить тепло для вращения турбины.

При этом необходимо, чтобы все эти процессы происходили одновременно с нейтронной бомбардировкой, изменяющей химический состав. Разработка соли, которая могла бы выдерживать эти противоречивые нагрузки и продолжать выделять тритий, является одной из центральных задач материаловедения при создании термоядерного реактора такого типа. До сих пор ее решали либо путем дорогостоящих и сложных экспериментов, либо с использованием приближенных методов классических расчетов, не обеспечивающих приемлемой точности.

Теперь они прибегли к квантово-ориентированным суперкомпьютерам — или, проще говоря, раскидали вычисления по нескольким классическим суперкомпьютерам и одному квантовому. Ранее таким же образом была смоделирована самая крупная белковая молекула.

«Наша работа опирается на достижения в моделировании сложных биологических систем в больших масштабах, включая белки размером до 12 635 атомов, и распространяет эти методы на материаловедение, позволяя изучать термоядерные системы с большей точностью и эффективностью», — объяснил соавтор Кеннет Мерц из Кливлендской клиники.

Исходные данные были получены путем моделирования молекулярной динамики FLiBe с тритием и без него на суперкомпьютере. Мы выбрали из них девять «стоп-кадров», чтобы они максимально отличались друг от друга, разделили их на кластеры по 21 атому в каждом и загрузили в квантовый компьютер IBM, чтобы он рассчитал энергию связи трития. Расчет оказался на удивление точным – с погрешностью не более 0,7 ккал/моль.

Загвоздка заключалась в сборе всех кластеров вместе, который проводился на суперкомпьютере - из-за приближений и допущений ошибка выросла до 12–30 ккал/моль.

Дальнейшее развитие авторы видят в совершенствовании алгоритмов фрагментации и увеличении кластеров до термодинамического предела — и тогда квантовые компьютеры помогут человечеству сделать шаг к будущим термоядерным электростанциям.