科學家來自橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory，ORNL）、克里夫蘭診所（Cleveland Clinic）及 IBM，利用量子電腦計算一種主要聚變燃料材料的分子結構，這被團隊稱為首個此類示範。這項工作專注於 FLiBe，這是一種由氟、鋰及鈹組成的熔融鹽，並被視為未來聚變反應堆中生產及提取氚的主要材料之一。氚是一種極為稀缺的氫同位素，對於大多數提議的聚變電廠至關重要。
研究人員利用量子中心超級計算技術計算了九種 FLiBe 的分子結構，結合量子計算及傳統計算來解決對於純粹傳統計算日益困難的問題。這些結果可能幫助科學家更好地理解氚如何在原子層面上與熔融鹽相互作用，從而為未來聚變反應堆設計的優化及氚產量的提升提供所需的見解。 確保氚的供應仍然是商業聚變能源面臨的最大挑戰之一。由於這種同位素在自然界中僅以微量存在，未來的反應堆預計將利用 FLiBe 等材料在周圍的熔融鹽包覆層內自行生成氚。
量子電腦特別適合研究決定原子如何結合及相互作用的電子行為。在這項工作中，研究人員應用了先前用於模擬含有 12,635 個原子的蛋白質的相同量子中心計算技術，將這一方法從生物學領域擴展至材料科學。
量子計算技術推動聚變燃料研究的進展
“為了展示由 Genesis Mission 促進的能力，我們在七個美國能源部（DOE）國家實驗室、四所大學、三家行業夥伴及克里夫蘭診所組建了一支領先專家的團隊，旨在推進一個多方位的發現循環，以優化熔融鹽聚變包覆材料中的氚產量，”ORNL 計算與計算科學主任科學參與部門的部門負責人 Tom Beck 表示。“量子電腦，如 IBM 所建造的並由人工智能及超級計算增強的，都是加速發現及設計循環的關鍵工具，這些循環是生產充足氚以供聚變反應堆使用所必需的。
” 科學家們使用量子中心超級計算技術，讓量子處理器與傳統計算機協同工作。量子電路處理最適合量子硬件的計算部分，而傳統計算完成剩餘任務。這種方法使團隊能夠計算帶有及不帶有氚的 FLiBe 的電子結構，並確定不同的分子結構對燃料的結合強度。研究人員指出，這些原子級的相互作用使用傳統近似方法難以準確捕捉。 “這項工作建立在我們在大規模模擬複雜生物系統方面的進展之上，包括跨越 12,635 個原子的蛋白質，並將這些技術延伸到材料科學，以更高的準確性及效率探索與聚變相關的系統，”克里夫蘭診所的對應作者及研究員
Kenneth Merz 博士表示。“將量子、人工智能和傳統計算結合在一起，對於解決我們社會最根本的科學挑戰至關重要——開啟這些範式單獨無法獲得的能力。” 該合作項目接下來將專注於縮短量子計算機與傳統計算機之間數據傳輸所需的時間，同時擴大可建模的分子系統的大小。研究人員最終希望聚變開發者能夠利用這一工作流程來設計和評估他們自己的反應堆材料。該研究已發表於 arXiv。