量子新突破實(shí)現(xiàn)聚變材料首次已知計(jì)算

科學(xué)家利用量子計(jì)算模擬了一種可提升氚產(chǎn)量的聚變?nèi)剂喜牧稀?/p>

來自橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室、克利夫蘭醫(yī)學(xué)中心和 IBM 的科學(xué)家已利用量子計(jì)算機(jī)計(jì)算了一種關(guān)鍵聚變?nèi)剂喜牧系姆肿訕?gòu)型，該團(tuán)隊(duì)稱這標(biāo)志著此類演示的首次已知實(shí)例。

這項(xiàng)工作的核心是 FLiBe——一種由氟、鋰和鈹組成的熔鹽，被視為未來聚變反應(yīng)堆內(nèi)生產(chǎn)和提取氚的主要候選材料之一。氚是一種極為稀有的氫同位素，為絕大多數(shù)擬議中的聚變電站提供燃料所必需。

研究人員利用量子中心超級計(jì)算，結(jié)合量子與經(jīng)典計(jì)算機(jī)，計(jì)算了 FLiBe 的九種分子構(gòu)型，從而解決了一個僅靠傳統(tǒng)計(jì)算已日益困難的問題。

這些結(jié)果有助于科學(xué)家更好地理解氚如何在原子層面與熔鹽相互作用，為優(yōu)化未來聚變反應(yīng)堆設(shè)計(jì)、提升氚產(chǎn)量提供了所需洞見。

追逐聚變?nèi)剂?/strong>

確保充足的氚供應(yīng)仍是商業(yè)聚變能源面臨的最大挑戰(zhàn)之一。由于這種同位素在自然界中僅以極微量存在，未來的反應(yīng)堆預(yù)計(jì)將利用包裹在外的熔鹽包層中的 FLiBe 等材料，自行產(chǎn)生氚。

量子計(jì)算機(jī)特別擅長研究決定原子如何成鍵和相互作用的電子行為。在這項(xiàng)工作中，研究人員將此前用于模擬包含 12,635 個原子的蛋白質(zhì)的同一套量子中心計(jì)算技術(shù)，從生物學(xué)領(lǐng)域拓展到了材料科學(xué)中。

“為了展示‘創(chuàng)世任務(wù)’所催生的能力，我們組建了一支匯聚七大能源部國家實(shí)驗(yàn)室、四所大學(xué)、三家產(chǎn)業(yè)合作伙伴和克利夫蘭醫(yī)學(xué)中心頂尖專家的團(tuán)隊(duì)，開展多管齊下的探索循環(huán)，旨在優(yōu)化聚變堆熔鹽包層材料中的氚生產(chǎn)。”橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室計(jì)算與計(jì)算科學(xué)局科學(xué)參與處負(fù)責(zé)人湯姆·貝克說道。

“量子計(jì)算機(jī)，例如 IBM 制造并經(jīng)人工智能與百億億次計(jì)算增強(qiáng)的那些，是加快發(fā)現(xiàn)與設(shè)計(jì)周期的關(guān)鍵工具，而這正是生產(chǎn)足夠氚來驅(qū)動聚變反應(yīng)堆所必需的。”

混合計(jì)算進(jìn)展

科學(xué)家采用了量子中心超級計(jì)算，讓量子處理器與經(jīng)典計(jì)算機(jī)協(xié)同工作。量子電路處理那些最適合量子硬件的計(jì)算部分，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)則完成剩余任務(wù)。

這種方法使團(tuán)隊(duì)得以計(jì)算含氚與不含氚情況下 FLiBe 的電子結(jié)構(gòu)，并確定不同分子構(gòu)型對燃料的結(jié)合強(qiáng)度。研究人員表示，僅憑經(jīng)典近似方法很難精準(zhǔn)捕捉這些原子尺度的相互作用。

“這項(xiàng)工作建立在我們大規(guī)模模擬復(fù)雜生物系統(tǒng)（包括跨越 12,635 個原子的蛋白質(zhì)）的進(jìn)展之上，并將這些技術(shù)擴(kuò)展到材料科學(xué)，以更高的精度和效率探索與聚變相關(guān)的體系。”通訊作者、克利夫蘭醫(yī)學(xué)中心研究員肯尼思·默茨博士說。

“將量子、人工智能和經(jīng)典計(jì)算融合在一起，對應(yīng)對我們社會最根本的科學(xué)挑戰(zhàn)至關(guān)重要——它釋放出任何一種單一范式都無法企及的能力。”IBM 量子中心超級計(jì)算首席技術(shù)官杰里·周表示。

接下來，該合作將著重于縮短量子與經(jīng)典計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，同時(shí)擴(kuò)大能夠模擬的分子體系的規(guī)模。研究人員最終希望聚變領(lǐng)域的開發(fā)者能利用這套工作流程來設(shè)計(jì)和評估各自的反應(yīng)堆材料。

該研究已發(fā)表在 arXiv 預(yù)印本平臺上。

如果朋友們喜歡，敬請關(guān)注“知新了了”！