Forscher des Oak Ridge National Laboratory (ORNL), der Cleveland Clinic und von IBM haben mithilfe von Quantencomputern neun Molekülkonfigurationen von FLiBe berechnet, einem geschmolzenen Salzmaterial, das als vielversprechender Kandidat für die Tritiumerzeugung in zukünftigen Fusionsreaktoren gilt. Die auf arXiv veröffentlichte Arbeit ist die erste, die diese spezifischen Molekülberechnungen mit Hilfe von Quantencomputern durchgeführt hat.
Die Forschung befasst sich mit einer der größten technischen Herausforderungen der Fusionsenergie: der Erzeugung und Rückgewinnung von ausreichend Tritium für den Reaktorbetrieb. Tritium ist ein kritischer Brennstoffbestandteil für die meisten vorgeschlagenen Fusionsreaktorkonzepte, kommt aber in der Natur extrem selten vor. Die Verbesserung der Tritium-Bruteffizienz ist ein zentrales Ziel der Genesis-Mission des US-Energieministeriums.
FLiBe, ein Gemisch aus Lithiumfluorid und Berylliumfluorid, erfüllt in vielen Fusionsreaktorkonzepten vielfältige Funktionen, darunter die Tritiumerzeugung und den Wärmetransport. Die Vorhersage seines Verhaltens ist rechenintensiv, da sich seine chemische Zusammensetzung unter Neutronenbestrahlung, hohen Temperaturen und starken Magnetfeldern verändert. Die präzise Modellierung dieser Wechselwirkungen auf Quantenebene ist mit vielen herkömmlichen Rechenverfahren praktisch nicht realisierbar und erfordert oft aufwändige experimentelle Validierungen.
Um diese Herausforderung zu bewältigen, kombinierte das Forschungsteam Quantenprozessoren mit herkömmlichen Hochleistungsrechnern (HPC) in einem quantenzentrierten Supercomputing-Workflow. Anstatt sich ausschließlich auf klassische Näherungen zu stützen, wurden Quantenprozessoren für Teile der elektronischen Strukturrechnungen eingesetzt, während CPUs und GPUs die übrigen Rechenaufgaben übernahmen. Dieser hybride Ansatz ermöglichte es dem Team, die Energetik verschiedener FLiBe-Molekülkonfigurationen mit und ohne Tritium zu berechnen und so tiefere Einblicke in atomare Wechselwirkungen und Tritiumbindungsmechanismen zu gewinnen.
Das Projekt baut zudem auf Rechenmethoden auf, die zuvor für groß angelegte biologische Simulationen entwickelt wurden. Derselbe quantenmechanische Arbeitsablauf wurde bereits auf Proteinsysteme mit 12,635 Atomen angewendet, und die Forscher haben diese Techniken nun für materialwissenschaftliche Anwendungen im Bereich der Fusionsenergie adaptiert.
Das im Rahmen der Genesis-Mission zusammengestellte Forschungsteam umfasst sieben nationale Laboratorien des US-Energieministeriums (DOE), vier Universitäten, drei Industriepartner und die Cleveland Clinic. Ziel der übergeordneten Mission ist die Zusammenführung von Hochleistungsrechnern, künstlicher Intelligenz und Quantencomputing in den 17 nationalen Laboratorien des DOE, um wissenschaftliche Entdeckungen zu beschleunigen. Das Team ist überzeugt, dass die Integration dieser Technologien die Entwicklung und Optimierung von Fusionsmantelmaterialien beschleunigen wird, die ausreichend Tritium für kommerzielle Reaktoren produzieren können.
IBMs Beitrag konzentriert sich auf die Weiterentwicklung des quantenzentrierten Supercomputings, das CPUs, GPUs und Quantenprozessoren (QPUs) in einem einzigen Rechenworkflow vereint. Das Unternehmen sieht hybrides Quanten-Klassik-Computing als eine vielversprechende Plattform zur Lösung wissenschaftlicher Probleme in Chemie, Materialwissenschaft und Ingenieurwesen, die für klassische Systeme allein nach wie vor schwer zu bewältigen sind.
Die Kooperationspartner planen, künftig den Kommunikationsaufwand zwischen Quanten- und klassischen Computerressourcen zu reduzieren und gleichzeitig die Größe und Komplexität der simulierbaren Molekülsysteme zu erhöhen. Langfristig soll die quantenzentrierte Simulation zu einem praktischen Werkzeug für die Entwicklung und Validierung von Fusionsmaterialien werden.
Die FLiBe-Forschung reiht sich ein in eine Reihe wissenschaftlicher Meilensteine, die im Laufe des Jahres 2026 auf IBM-Quantensystemen demonstriert wurden, darunter Simulationen magnetischer Materialien, molekularchemische Studien und groß angelegte biologische Modellierungen. Damit wird die Rolle des Quantencomputings als Werkzeug für die wissenschaftliche Forschung weiter ausgebaut.
Amazon