北京
科學家利用量子計算模擬了一種可提升氚產量的聚變燃料材料。
來自橡樹嶺國家實驗室、克利夫蘭醫學中心和 IBM 的科學家已利用量子計算機計算了一種關鍵聚變燃料材料的分子構型，該團隊稱這標志著此類演示的首次已知實例。
這項工作的核心是 FLiBe——一種由氟、鋰和鈹組成的熔鹽，被視為未來聚變反應堆內生產和提取氚的主要候選材料之一。氚是一種極為稀有的氫同位素，為絕大多數擬議中的聚變電站提供燃料所必需。
研究人員利用量子中心超級計算，結合量子與經典計算機，計算了 FLiBe 的九種分子構型，從而解決了一個僅靠傳統計算已日益困難的問題。
這些結果有助于科學家更好地理解氚如何在原子層面與熔鹽相互作用，為優化未來聚變反應堆設計、提升氚產量提供了所需洞見。
追逐聚變燃料
確保充足的氚供應仍是商業聚變能源面臨的最大挑戰之一。由于這種同位素在自然界中僅以極微量存在，未來的反應堆預計將利用包裹在外的熔鹽包層中的 FLiBe 等材料，自行產生氚。
量子計算機特別擅長研究決定原子如何成鍵和相互作用的電子行為。在這項工作中，研究人員將此前用于模擬包含 12,635 個原子的蛋白質的同一套量子中心計算技術，從生物學領域拓展到了材料科學中。
“為了展示‘創世任務’所催生的能力，我們組建了一支匯聚七大能源部國家實驗室、四所大學、三家產業合作伙伴和克利夫蘭醫學中心頂尖專家的團隊，開展多管齊下的探索循環，旨在優化聚變堆熔鹽包層材料中的氚生產。”橡樹嶺國家實驗室計算與計算科學局科學參與處負責人湯姆·貝克說道。
“量子計算機，例如 IBM 制造并經人工智能與百億億次計算增強的那些，是加快發現與設計周期的關鍵工具，而這正是生產足夠氚來驅動聚變反應堆所必需的。”
混合計算進展
科學家采用了量子中心超級計算，讓量子處理器與經典計算機協同工作。量子電路處理那些最適合量子硬件的計算部分，傳統計算機則完成剩余任務。
這種方法使團隊得以計算含氚與不含氚情況下 FLiBe 的電子結構，并確定不同分子構型對燃料的結合強度。研究人員表示，僅憑經典近似方法很難精準捕捉這些原子尺度的相互作用。
“這項工作建立在我們大規模模擬復雜生物系統（包括跨越 12,635 個原子的蛋白質）的進展之上，并將這些技術擴展到材料科學，以更高的精度和效率探索與聚變相關的體系。”通訊作者、克利夫蘭醫學中心研究員肯尼思·默茨博士說。
“將量子、人工智能和經典計算融合在一起，對應對我們社會最根本的科學挑戰至關重要——它釋放出任何一種單一范式都無法企及的能力。”IBM 量子中心超級計算首席技術官杰里·周表示。
接下來，該合作將著重于縮短量子與經典計算機之間的數據傳輸時間，同時擴大能夠模擬的分子體系的規模。研究人員最終希望聚變領域的開發者能利用這套工作流程來設計和評估各自的反應堆材料。
該研究已發表在 arXiv 預印本平臺上。
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