Kvantinis kompiuteris pirmą kartą „permatė“ medžiagą, nuo kurios gali priklausyti branduolių sintezės ateitis

Kvantinis kompiuteris pirmą kartą apskaičiavo sudėtingą tričio sąveiką su išlydyta FLiBe druska

JAV mokslininkai pirmą kartą panaudojo hibridinę kvantinių ir klasikinių kompiuterių sistemą tričio sąveikai su FLiBe druska tirti. Ši iš ličio fluorido ir berilio fluorido sudaryta išlydyta druska laikoma viena perspektyviausių medžiagų būsimų branduolių sintezės reaktorių apsauginiams ir kurą gaminantiems sluoksniams.

Tyrėjai iš Oak Ridžo nacionalinės laboratorijos, Klivlando klinikos, IBM, Mičigano valstijos universiteto ir kitų institucijų nagrinėjo devynias skirtingas FLiBe atomų konfigūracijas. Kiekvieną iš jų sudarė 21 jonas, o skaičiavimai buvo atliekami tiek su tričiu, tiek be jo, siekiant nustatyti, kaip šis radioaktyvusis vandenilio izotopas jungiasi su druskos dalelėmis.

Devynias konfigūracijas mokslininkai atrinko iš klasikiniais kompiuteriais atliktų molekulinės dinamikos modelių. Kvantinis kompiuteris jų pats „neatrado“, tačiau apskaičiavo sudėtingiausių elektroninių fragmentų energijas, kurių tikslus modeliavimas tradicinėmis priemonėmis reikalauja itin didelių skaičiavimo išteklių.

Branduolių sintezės elektrinėms reikės pačioms pasigaminti beveik visą sunaudojamą tritį

Daugelyje kuriamų branduolių sintezės reaktorių numatoma naudoti deuterio ir tričio mišinį. Susiliejus šių vandenilio izotopų branduoliams susidaro helis, išlaisvinamas neutronas ir 17,6 megaelektronvolto energijos, tačiau tričio atsargos Žemėje yra itin ribotos.

Būsima komercinė sintezės elektrinė negalėtų priklausyti vien nuo išorinių tričio tiekėjų. ITER duomenimis, pasaulinės tričio atsargos nepakaktų būsimų elektrinių poreikiams, todėl joms teks gaminti kurą pačiame reaktoriuje, naudojant neutronų ir ličio sąveiką.

Reaktoriuje aplink karštą plazmą būtų įrengiamas ličio turintis sluoksnis, dažnai vadinamas tričio gamybos antklode. Iš sintezės plazmos išlėkę neutronai reaguotų su ličio-6 branduoliais ir sudarytų helį bei naują tritį, o berilis padėtų padidinti reakcijoms prieinamų neutronų skaičių.

FLiBe druska turi gaminti kurą, aušinti reaktorių ir kartu atlaikyti neutronų srautą

FLiBe sluoksniui tektų atlikti kelias funkcijas vienu metu. Jis turėtų gaminti tritį, sugerti iš plazmos sklindančių neutronų energiją, saugoti reaktoriaus magnetus, aušinti vidines konstrukcijas ir perduoti šilumą elektros gamybos sistemai.

Viena svarbiausių problemų kyla dėl to, kad susidaręs tritis gali skirtingai sąveikauti su druskos junginiais. Prisijungęs prie fluoro jis gali sudaryti tričio fluoridą, kuris yra ėsdinantis ir sunkiau pašalinamas iš lydalo, o kitomis sąlygomis tritis gali išsiskirti dujų pavidalu ir būti surenkamas paprasčiau.

Norint numatyti, kuri tričio forma vyraus, būtina tiksliai apskaičiuoti elektronų elgseną išlydytoje joninėje terpėje. Įprasti tankio funkcionalo teorijos metodai tokioms sistemoms gali pateikti per dideles paklaidas, todėl net kelių procentų netikslumas apsunkina patikimą tričio prisijungimo ir išsiskyrimo prognozę.

Hibridinė sistema sudėtingiausią chemijos dalį perdavė IBM kvantiniam kompiuteriui

Mokslininkai visą cheminę sistemą padalijo į mažesnius, skaičiavimams tinkamus fragmentus. Paprastesnes jų dalis sprendė klasikiniai kompiuteriai, o stipriau tarpusavyje susijusių elektronų turinčius fragmentus apdorojo IBM kvantinė aparatinė įranga.

Šiam darbui pritaikytas banginės funkcijos įterpimo metodas ir išplėstinė atrankomis pagrįsta kvantinė diagonalizacija. Kvantinio kompiuterio gauti fragmentų pagrindinės būsenos energijų rezultatai nuo itin tikslaus klasikinio etalono skyrėsi ne daugiau kaip 0,7 kilokalorijos vienam moliui, o vidutinis absoliutus nuokrypis siekė 0,3 kilokalorijos vienam moliui.

Rezultatai parodė, kad dabartiniai kvantiniai kompiuteriai jau gali būti naudojami konkrečioms sudėtingos chemijos užduotims, kai jie veikia kartu su klasikiniais superkompiuteriais. Vis dėlto tai nėra įrodymas, kad kvantinė sistema savarankiškai pranoko visus klasikinius metodus – sėkmę užtikrino kruopščiai padalytas darbas tarp skirtingų skaičiavimo platformų.

Didžiausia skaičiavimo paklaida atsirado skaidant druskos modelį į mažesnius fragmentus

Nors atskirų fragmentų energijas kvantinė sistema apskaičiavo tiksliai, visos sistemos rezultatai turėjo gerokai didesnių neatitikimų. Fragmentuotų ir vientisų modelių konformacinės energijos vidutiniškai skyrėsi maždaug 12 kilokalorijų vienam moliui, o apskaičiuotos tričio jungimosi energijos – net apie 110 kilokalorijų vienam moliui.

Tyrimo autoriai nustatė, kad pagrindinis netikslumų šaltinis buvo sistemos suskaidymas į fragmentus, o ne kvantinio kompiuterio atliekami fragmentų skaičiavimai. Joninėje išlydytoje druskoje svarbios tolimosios elektrostatinės sąveikos ir poliarizacija, todėl atskyrus nedidelę sistemos dalį galima prarasti reikšmingą aplinkos poveikį.

Tai reiškia, kad tolesni tyrimai turės tobulinti fragmentų sudarymo metodus, didinti modeliuojamų atomų skaičių ir vertinti šimtus ar tūkstančius skirtingų druskos konfigūracijų. Tik tada bus galima patikimiau apskaičiuoti laisvąją energiją ir numatyti, kokiu pavidalu tritis iš tikrųjų egzistuotų veikiančio reaktoriaus FLiBe sluoksnyje.

Tyrimas dar neišsprendė tričio gamybos problemos, tačiau parodė praktišką kvantinių kompiuterių paskirtį

Paskelbti rezultatai yra skaičiavimo metodo veikimo įrodymas, o ne paruoštas branduolių sintezės elektrinės projektas. Tyrimas kol kas paskelbtas „arXiv“ platformoje kaip išankstinis rankraštis, todėl jo išvados dar turi būti įvertintos nepriklausomų recenzentų.

Modeliuotos vos devynios mažos 21 jono sistemos, nors realiame reaktoriuje išlydytos druskos sluoksnį sudarytų milžiniškas nuolat judančių dalelių kiekis. Skaičiavimų rezultatus taip pat reikės tikrinti laboratoriniais eksperimentais, atliekamais esant aukštai temperatūrai, stipriam neutronų srautui ir kitoms reaktoriaus aplinką atkartojančioms sąlygoms.

Vis dėlto darbas parodė, kad kvantiniai kompiuteriai gali būti įtraukti į realią medžiagų tyrimo grandinę. Ateityje dirbtinio intelekto sistemos galėtų atrinkti perspektyvias druskų sudėtis, superkompiuteriai – modeliuoti jų judėjimą ir šilumines savybes, o kvantiniai procesoriai – tikslinti sudėtingiausias elektronines sąveikas, nuo kurių priklauso tričio surinkimas.

Šaltiniai

ScienceAlert. (2026). Quantum Computers Identify Nuclear Fusion Fuel in Major First
https://www.sciencealert.com/quantum-computers-identify-nuclear-fusion-fuel-chemistry-in-major-first

Susanta Das ir kt. / arXiv. (2026). Quantum Computations on Fusion Blanket Molten Salts
https://arxiv.org/abs/2606.30402

IBM Quantum. (2026). Oak Ridge National Laboratory, Cleveland Clinic model chemistry of fusion reactor material
https://www.ibm.com/quantum/blog/molten-salts-fusion-quantum