オークリッジ国立研究所（ORNL）、クリーブランド・クリニック、IBMの研究者らは、量子コンピューターを用いて、将来の核融合炉におけるトリチウム増殖の有力候補と広く考えられている溶融塩材料FLiBeの9つの分子構造を計算した。arXivに掲載されたこの研究は、量子コンピューティングを用いてこれらの特定の分子構造の計算を行った初めての事例となる。
この研究は、核融合エネルギーにおける最も重要な技術的課題の一つ、すなわち原子炉の運転を維持するのに十分なトリチウムを生成・回収するという課題に取り組んでいる。トリチウムは、提案されているほとんどの核融合炉設計において重要な燃料成分であるが、自然界では極めて希少である。トリチウム増殖効率の向上は、米国エネルギー省のジェネシス・ミッションの中核的な目標の一つである。
フッ化リチウムとフッ化ベリリウムの混合物であるFLiBeは、トリチウム増殖や熱伝達など、多くの核融合炉構想において複数の役割を担っています。その化学組成は中性子照射、高温、強磁場下で変化するため、その挙動を予測するには高度な計算が必要となります。これらの相互作用を量子レベルで正確にモデル化することは、従来の多くの計算手法では現実的ではなく、多くの場合、高額な実験的検証が必要となります。
この課題に対処するため、研究チームは量子プロセッサと従来の高性能コンピューティング（HPC）リソースを組み合わせた、量子中心のスーパーコンピューティングワークフローを構築しました。古典的な近似法だけに頼るのではなく、電子構造計算の一部に量子プロセッサを使用し、残りの計算タスクはCPUとGPUで処理しました。このハイブリッドアプローチにより、チームはトリチウムの有無にかかわらず、複数のFLiBe分子構造のエネルギーを計算することができ、原子間相互作用とトリチウム結合メカニズムに関するより深い知見を得ることができました。
このプロジェクトは、大規模な生物学的シミュレーションのためにこれまで開発されてきた計算手法を基盤としている。同じ量子力学を利用したワークフローは、すでに12,635個の原子からなるタンパク質システムに適用されており、研究者たちは今回、これらの技術を核融合エネルギーに関連する材料科学の応用分野に応用した。
ジェネシス・ミッションの下でこの取り組みのために結成された研究チームは、DOE（米国エネルギー省）の7つの国立研究所、4つの大学、3つの産業界のパートナー、そしてクリーブランド・クリニックから構成されています。より広範なミッションの目的は、DOE傘下の17の国立研究所全体で高性能コンピューティング、AI、量子コンピューティングを統合し、科学的発見を加速させることです。研究チームは、これらの技術を統合することで、商用原子炉に必要なトリチウムを生成できる核融合ブランケット材料の発見と最適化が加速されると述べています。
IBMの貢献は、CPU、GPU、量子処理ユニット（QPU）を単一の計算ワークフローに統合する量子中心のスーパーコンピューティングの発展に重点を置いている。同社は、ハイブリッド量子・古典コンピューティングを、化学、材料科学、工学分野における、古典システムだけでは解決が困難な科学的問題に取り組むための新たなプラットフォームと捉えている。
今後の展望として、共同研究者らは量子コンピューティングと古典コンピューティングのリソース間の通信オーバーヘッドを削減しつつ、シミュレーション可能な分子システムの規模と複雑さを拡大していく計画だ。長期的な目標は、量子中心のシミュレーションを核融合材料の設計および検証ワークフローにおける実用的なツールにすることである。
FLiBeの研究は、磁性材料のシミュレーション、分子化学研究、大規模生物モデリングなど、2026年にIBMの量子システム上で実証された数々の科学的成果に加わるものであり、科学研究のためのツールとしての量子コンピューティングの役割をさらに拡大するものである。
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