Výzkumníci z Oak Ridge National Laboratory (ORNL), Cleveland Clinic a IBM použili kvantové počítače k výpočtu devíti molekulárních konfigurací FLiBe, roztavené soli, která je všeobecně považována za hlavního kandidáta pro tvorbu tritia v budoucích fúzních reaktorech. Práce publikovaná na arXiv představuje první případ, kdy byly tyto specifické molekulární výpočty provedeny s využitím kvantových výpočtů.
Výzkum se zabývá jednou z nejvýznamnějších technických výzev v oblasti energie z fúze: produkcí a regenerací dostatečného množství tritia pro udržení provozu reaktoru. Tritium je klíčovou palivovou složkou pro většinu navrhovaných konstrukcí fúzních reaktorů, ale je extrémně vzácné. Zlepšení účinnosti šlechtění tritia je ústředním cílem mise Genesis amerického ministerstva energetiky.
FLiBe, směs fluoridu lithného a fluoridu berylia, plní řadu rolí v mnoha konceptech fúzních reaktorů, včetně množení tritia a přenosu tepla. Předpovídání jeho chování je výpočetně náročné, protože jeho chemické složení se vyvíjí vlivem neutronového ozáření, vysokých teplot a silných magnetických polí. Přesné modelování těchto interakcí na kvantové úrovni je mimo praktické možnosti mnoha konvenčních výpočetních přístupů a často vyžaduje nákladné experimentální validaci.
Aby se výzkumný tým s touto výzvou vypořádal, zkombinoval kvantové procesory s tradičními vysoce výkonnými výpočetními prostředky (HPC) v rámci kvantově orientovaného superpočítačového pracovního postupu. Kvantové procesory se nespoléhaly pouze na klasické aproximace, ale pro části výpočtů elektronických struktur byly použity kvantové procesory, zatímco zbývající výpočetní úlohy zvládly CPU a GPU. Tento hybridní přístup umožnil týmu vypočítat energetiku více molekulárních konfigurací FLiBe, s tritiem i bez něj, což poskytlo hlubší vhled do atomových interakcí a mechanismů vazby tritia.
Projekt rovněž staví na výpočetních metodách, které byly dříve vyvinuty pro rozsáhlé biologické simulace. Stejný kvantově podporovaný pracovní postup byl již aplikován na proteinové systémy zahrnující 12 635 atomů a vědci nyní tyto techniky adaptovali pro aplikace v materiálové vědě související s energetikou z fúze.
Výzkumný tým sestavený pro toto úsilí v rámci mise Genesis zahrnuje sedm národních laboratoří ministerstva energetiky USA, čtyři univerzity, tři průmyslové partnery a kliniku Cleveland Clinic. Širší mise si klade za cíl sjednotit vysoce výkonné výpočty, umělou inteligenci a kvantové výpočty napříč 17 národními laboratořemi ministerstva energetiky USA s cílem urychlit vědecké objevy. Tým tvrdí, že integrace těchto technologií urychlí objevování a optimalizaci materiálů pro jadernou syntézu, které dokáží produkovat dostatek tritia pro komerční reaktory.
Příspěvek společnosti IBM se zaměřuje na rozvoj kvantově orientovaných superpočítačů, které sjednocují CPU, GPU a kvantové procesory (QPU) v rámci jednoho výpočetního pracovního postupu. Společnost vnímá hybridní kvantově-klasické výpočty jako nově vznikající platformu pro řešení vědeckých problémů v chemii, materiálových vědách a inženýrství, které jsou pro klasické systémy stále obtížné.
Do budoucna plánují spolupracovníci snížit komunikační režii mezi kvantovými a klasickými výpočetními zdroji a zároveň zvýšit velikost a složitost molekulárních systémů, které lze simulovat. Dlouhodobým cílem je učinit z kvantově orientované simulace praktický nástroj pro pracovní postupy návrhu a validace materiálů pro fúzi.
Výzkum FLiBe se připojuje k několika vědeckým milníkům, které byly v roce 2026 demonstrovány na kvantových systémech IBM, včetně simulací magnetických materiálů, studií molekulární chemie a modelování biologických materiálů ve velkém měřítku, čímž dále rozšiřuje roli kvantových výpočtů jako nástroje pro vědecký výzkum.
Amazon