Впервые квантовый компьютер просчитал рецептуру термоядерного топлива
Химики впервые воспользовались квантовым компьютером для расчета топлива для термоядерного синтеза, о чем рассказали в препринте на arXiv. Целью работы было проверить квантовые вычисления в том, где им, по идее, нет равных, и понять, как их улучшить, чтобы результаты можно было применить на практике.
Сырьем для термоядерного синтеза служит тритий. Нужно его всего ничего — полкило на день работы гигаваттного реактора. Но в природе этот изотоп почти не встречается — приходится производить прямо на месте.
В роли полуфабриката выступает расплав тетрафторобериллата лития FLiBe. Когда нейтрон вылетает из термоядерной реакции и сталкивается с атомом лития-6, тот распадается на гелий и тритий. Бериллий в смеси умножает количество высвободившихся нейтронов, поэтому состав вырабатывает достаточно топлива для поддержания реакции. Фтор и литий соединяются в соль, которая остается жидкой и стабильной при высокой температуре реактора.
Выработка топлива — лишь одна из задач расплавленной соли. Этот же материал должен защищать магниты реактора от нейтронного излучения, охлаждать стенку, обращенную к плазме, и отводить тепло для вращения турбины.
При этом необходимо, чтобы все эти процессы происходили одновременно с нейтронной бомбардировкой, изменяющей химический состав. Разработка соли, способной выдерживать эти противоречивые нагрузки и продолжать выделять тритий — одна из центральных задач материаловедения при создании термоядерных реакторов такого типа. До сих пор решалась она либо путем дорогостоящих и сложных экспериментов, либо с помощью приближенных методов классических вычислений, которые не обеспечивают приемлемой точности.
Теперь прибегли к квантово-ориентированным супервычислениям — или, проще говоря, раскидали расчеты на несколько классических суперкомпьютеров и один квантовый. Таким же способом ранее смоделировали самую большую белковую молекулу.
«Наша работа опирается на достижения в области моделирования сложных биологических систем на больших масштабах, включая белки размером до 12 635 атомов, и распространяет эти методы на материаловедение, позволяя изучать термоядерные системы с более высокой точностью и эффективностью», — пояснил соавтор статьи Кеннет Мерц из Кливлендской клиники.
Исходные данные получили, моделируя на суперкомпьютере молекулярную динамику FLiBe с тритием и без. Выбрали из них девять «стоп-кадров» так, чтобы они по возможности больше отличались друг от друга, разбили на кластеры, по 21 атому в каждом, и загрузили в квантовый компьютер IBM, дабы он вычислил энергию связи трития. Расчет получился удивительно точным — с погрешностью не более 0.7 ккал/моль.
Загвоздкой стал сбор всех кластеров воедино, который проводили на суперкомпьютере — из-за приближений и допущений ошибка выросла до 12–30 ккал/моль.
Дальнейшим путем развития авторы видят улучшение алгоритмов фрагментации и увеличение кластеров до термодинамического предела — и тогда квантовые компьютеры помогут человечеству сделать шаг к будущим термоядерным электростанциям.
