Квантовые компьютеры впервые смоделировали материалы для производства топлива термоядерных реакторов
Учёные из Национальной лаборатории Ок-Ридж, клиники Кливленда и компании IBM впервые выполнили расчёты молекулярных конфигураций перспективного материала для производства топлива термоядерной энергетики с помощью квантового компьютера. Исследователи смоделировали девять различных структур материала, который может использоваться для получения трития — одного из ключевых компонентов будущих термоядерных реакторов.
Работа стала важным этапом в решении одной из главных проблем развития термоядерной энергетики. Несмотря на огромный потенциал термоядерного синтеза как источника чистой и практически неисчерпаемой энергии, создание стабильного запаса топлива остаётся серьёзным технологическим препятствием.
Главным объектом исследования стал тритий — редкий радиоактивный изотоп водорода, который необходим для большинства предлагаемых конструкций термоядерных реакторов. В природе его крайне мало, поэтому будущие энергетические установки должны будут производить его самостоятельно непосредственно внутри реактора.
Учёные отмечают, что обеспечение достаточного количества трития является одним из ключевых условий для реализации коммерческой термоядерной энергетики. Именно поэтому решение этой задачи входит в число основных направлений американской инициативы Genesis Mission Министерства энергетики США.
В перспективных термоядерных реакторах типа токамак нейтроны, возникающие во время реакции синтеза внутри плазмы, будут взаимодействовать с окружающим жидкосолевым покрытием. Это покрытие должно одновременно защищать конструкцию реактора и участвовать в производстве нового трития.
Одним из главных кандидатов для такого покрытия является жидкая соль FLiBe, состоящая из фтора, лития и бериллия. Этот материал считается перспективным благодаря своим свойствам, однако его поведение при экстремальных температурах, воздействии мощного магнитного поля и постоянной бомбардировке нейтронами остаётся сложной научной задачей.
Чтобы понять, как FLiBe взаимодействует с тритием на атомном уровне, исследователи использовали квантово-центрированные суперкомпьютерные методы. Эти подходы объединяют возможности квантовых компьютеров, классических суперкомпьютеров и алгоритмов искусственного интеллекта.
Классические компьютеры способны выполнять множество сложных расчётов, однако моделирование квантового поведения электронов в больших молекулярных системах быстро становится чрезвычайно ресурсоёмким. Квантовые компьютеры, напротив, позволяют напрямую изучать особенности взаимодействия частиц на фундаментальном уровне.
Для проведения расчётов команда использовала методы, которые ранее применялись для моделирования сложных биологических систем, включая белковые структуры с участием до 12 635 атомов. Теперь эти технологии были адаптированы для задач материаловедения и термоядерной энергетики.
«Чтобы продемонстрировать возможности, которые открывает Genesis Mission, мы создали команду ведущих экспертов из национальных лабораторий Министерства энергетики США, университетов, промышленных партнёров и клиники Кливленда для оптимизации производства трития в жидкосолевых материалах термоядерных реакторов», — заявил Том Бек, руководитель направления научного взаимодействия в Директорате вычислительных и вычислительных наук Национальной лаборатории Ок-Ридж.
По его словам, квантовые компьютеры, подобные системам IBM, в сочетании с искусственным интеллектом и суперкомпьютерными технологиями способны значительно ускорить процессы открытия и разработки материалов, необходимых для создания будущих термоядерных энергетических установок.
Исследователи рассчитали различные конфигурации молекул FLiBe с присутствием трития и без него. Использование квантового компьютера позволило более точно определить электронную структуру материала и понять, каким образом отдельные атомы взаимодействуют между собой.
Особое внимание специалисты уделили тому, насколько сильно молекулы жидкости способны связывать тритий и какие именно механизмы отвечают за это взаимодействие. Такие сведения крайне важны для создания материалов, которые смогут эффективно производить и удерживать топливо внутри будущих реакторов.
В ходе работы учёные смогли определить диапазон возможных движений атомов внутри материала и выявить свойства различных молекулярных состояний, которые было бы сложно обнаружить с помощью обычных вычислительных методов.
Кеннет Мерц, научный сотрудник клиники Кливленда и автор исследования, отметил, что разработанные подходы позволяют расширить возможности моделирования сложных систем. По его словам, объединение квантовых вычислений, искусственного интеллекта и высокопроизводительных вычислений создаёт новые инструменты для решения фундаментальных научных задач.
«Эта работа основана на наших достижениях в моделировании сложных биологических систем и переносит эти методы в область материаловедения, чтобы исследовать системы, связанные с термоядерной энергетикой, с большей точностью и эффективностью», — отметил Мерц.
Технический директор направления квантово-центрированных супервычислений IBM Джерри Чоу подчеркнул, что сочетание квантовых, классических вычислений и искусственного интеллекта необходимо для решения наиболее сложных научных проблем современности.
По его словам, новые результаты показывают, что квантово-центрированные супервычисления уже начинают становиться практическим инструментом для задач, которые долгое время оставались недоступными для химиков, инженеров и специалистов по материалам.
Учёные продолжают развивать эту технологию. Следующим этапом станет сокращение времени передачи данных между квантовыми и классическими вычислительными системами, а также увеличение размера молекулярных взаимодействий, которые можно моделировать.
В будущем исследовательская команда надеется создать универсальный рабочий процесс, который позволит специалистам в области термоядерной энергетики самостоятельно проектировать и проверять новые материалы для реакторов.
Новая работа стала частью серии достижений 2026 года, демонстрирующих практическую пользу квантовых компьютеров IBM в научных исследованиях. Среди других направлений применения — моделирование реальных магнитных материалов, создание ранее неизвестной молекулы в форме полуторной ленты Мёбиуса и расчёты сложных белковых структур.
Исследователи считают, что дальнейшее развитие квантовых вычислений может стать одним из ключевых инструментов для решения проблемы производства трития и приблизить создание работающих термоядерных электростанций.
Исследование в журнале arXiv.