Investigadores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL), la Clínica Cleveland e IBM han utilizado computadoras cuánticas para calcular nueve configuraciones moleculares de FLiBe, un material de sal fundida considerado uno de los principales candidatos para la generación de tritio en futuros reactores de fusión. Este trabajo, publicado en arXiv, marca la primera vez que se realizan estos cálculos moleculares específicos mediante computación cuántica.
La investigación aborda uno de los desafíos técnicos más importantes de la energía de fusión: producir y recuperar suficiente tritio para mantener el funcionamiento del reactor. El tritio es un componente esencial del combustible para la mayoría de los diseños de reactores de fusión propuestos, pero es extremadamente escaso en la naturaleza. Mejorar la eficiencia de la producción de tritio es un objetivo fundamental de la Misión Génesis del Departamento de Energía de Estados Unidos.
El FLiBe, una mezcla de fluoruro de litio y fluoruro de berilio, desempeña múltiples funciones en diversos conceptos de reactores de fusión, como la generación de tritio y la transferencia de calor. Predecir su comportamiento requiere una gran capacidad computacional, ya que su composición química evoluciona bajo irradiación de neutrones, altas temperaturas y campos magnéticos intensos. Modelar con precisión estas interacciones a nivel cuántico está fuera del alcance práctico de muchos métodos computacionales convencionales y, a menudo, requiere una costosa validación experimental.
Para abordar este desafío, el equipo de investigación combinó procesadores cuánticos con recursos tradicionales de computación de alto rendimiento (HPC) en un flujo de trabajo de supercomputación centrado en la computación cuántica. En lugar de depender únicamente de aproximaciones clásicas, se utilizaron procesadores cuánticos para ciertas partes de los cálculos de estructura electrónica, mientras que las CPU y las GPU se encargaron de las tareas computacionales restantes. Este enfoque híbrido permitió al equipo calcular la energética de múltiples configuraciones moleculares de FLiBe, con y sin tritio, lo que proporcionó una comprensión más profunda de las interacciones atómicas y los mecanismos de unión del tritio.
El proyecto también se basa en métodos computacionales desarrollados previamente para simulaciones biológicas a gran escala. El mismo flujo de trabajo cuántico ya se ha aplicado a sistemas proteicos de 12,635 átomos, y los investigadores han adaptado ahora esas técnicas a aplicaciones de la ciencia de los materiales relevantes para la energía de fusión.
El equipo de investigación reunido para este proyecto, en el marco de la Misión Génesis, integra siete laboratorios nacionales del Departamento de Energía (DOE), cuatro universidades, tres socios industriales y la Clínica Cleveland. El objetivo general de la misión es unificar la computación de alto rendimiento, la inteligencia artificial y la computación cuántica en los 17 laboratorios nacionales del DOE para acelerar los descubrimientos científicos. El equipo afirma que la integración de estas tecnologías agilizará el descubrimiento y la optimización de materiales para mantos de fusión que puedan producir suficiente tritio para reactores comerciales.
La contribución de IBM se centra en el avance de la supercomputación cuántica, que unifica CPU, GPU y unidades de procesamiento cuántico (QPU) en un único flujo de trabajo computacional. La compañía considera que la computación híbrida cuántico-clásica es una plataforma emergente para abordar problemas científicos en química, ciencia de materiales e ingeniería que siguen siendo difíciles de resolver únicamente con sistemas clásicos.
De cara al futuro, los colaboradores planean reducir la sobrecarga de comunicación entre los recursos de computación cuántica y clásica, al tiempo que aumentan el tamaño y la complejidad de los sistemas moleculares que se pueden simular. El objetivo a largo plazo es convertir la simulación cuántica en una herramienta práctica para el diseño y la validación de materiales de fusión.
La investigación de FLiBe se suma a varios hitos científicos demostrados en los sistemas cuánticos de IBM durante 2026, incluidas simulaciones de materiales magnéticos, estudios de química molecular y modelado biológico a gran escala, lo que amplía aún más el papel de la computación cuántica como herramienta para la investigación científica.
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