Исследователи из Oak Ridge National Laboratory (ORNL), принадлежащей Министерству энергетики США, а также Cleveland Clinic и IBM провели новаторские вычисления на квантовых процессорах. Они проанализировали девять различных структур молекул FLiBe – сплавённой соли, состоящей из фтора, лития и бериллия, который считается многообещающим компонентом для создания топлива в термоядерных реакциях.

Целью этих расчетов было выяснение характера взаимодействия атомов внутри структуры FLiBe с тритием – редким вариантом водорода. Тритий необходим для большинства проектов будущих термоядерных электростанций, однако его количество в природе крайне ограничено, что требует от реакторов самостоятельного производства или извлечения этого элемента.

Обеспечение стабильного и достаточного количества трития остается ключевой проблемой развития термоядерной энергетики. Для решения этой задачи планируется применение материалов, способных к производству и удержанию трития внутри реактора. Оптимизация химического состава FLiBe является важным направлением в рамках американской программы Genesis Mission, которая объединяет передовые вычислительные технологии, искусственный интеллект и квантовые вычисления для ускорения научных прорывов.

FLiBe рассматривается как потенциальный материал для использования в защитных слоях вокруг камеры с плазмой, где будет происходить синтез трития. Тем не менее, прогнозирование его характеристик в условиях работы будущих реакторов представляет собой серьезную задачу: состав соли может претерпевать изменения под воздействием интенсивного потока нейтронов, высоких температур и мощных магнитных полей.

Для анализа характеристик вещества на атомном уровне исследователи применили методику, объединяющую возможности квантовых и обычных суперкомпьютеров в решении отдельных аспектов общей проблемы. Этот способ позволил проанализировать электронное строение FLiBe и установить механизм взаимодействия атомов материала с тритием. Специалисты вычислили энергию различных вариантов расположения атомов в молекулах соли при наличии и отсутствии трития, чтобы выявить конфигурации, обеспечивающие наиболее крепкое соединение этого изотопа и понять природу этих связей.

До недавнего времени подобные исследования были затруднены из-за огромного объема необходимых вычислительных ресурсов. Традиционные подходы дают лишь приблизительные решения, которые могут быть недостаточно точными при моделировании сложных молекулярных структур. Квантовые вычисления предоставляют возможность непосредственного изучения квантовых свойств электронов в подобных материалах и расширяют потенциал классических систем.

В процессе работы применялись техники, ранее разработанные совместной командой IBM и Cleveland Clinic для моделирования сложных биологических объектов, включая белковые структуры, содержащие до 12 635 атомов. Сейчас этот вычислительный подход адаптировали из области биохимии в материаловедение для решения задач, связанных с термоядерной энергетикой.