لأول مرة، قام حاسوب كمي بحساب وصفة الوقود النووي الحراري

استخدم الكيميائيون كمبيوترًا كميًا لأول مرة لحساب الوقود اللازم للاندماج النووي الحراري، كما هو موضح في نسخة أولية بتاريخ arXiv. وكان الهدف من العمل هو اختبار الحوسبة الكمومية حيث من المفترض أن تكون لا مثيل لها، وفهم كيفية تحسينها حتى يمكن تطبيق النتائج في الممارسة العملية.

المادة الخام للاندماج النووي الحراري هي التريتيوم. ما عليك سوى القليل منه – نصف كيلو ليوم تشغيل مفاعل جيجاوات. لكن هذا النظير لا يوجد تقريبًا في الطبيعة؛ يجب أن يتم إنتاجه مباشرة في الموقع.

المنتج شبه النهائي هو ذوبان رباعي فلوروبيريلات الليثيوم FLiBe. عندما يهرب النيوترون من تفاعل الاندماج ويصطدم بذرة الليثيوم -6، فإنه يضمحل إلى الهيليوم والتريتيوم. يضاعف البريليوم الموجود في الخليط عدد النيوترونات المنطلقة، وبالتالي تنتج التركيبة ما يكفي من الوقود لدعم التفاعل. ويتحد الفلور والليثيوم ليشكلا ملحًا يظل سائلًا ومستقرًا عند درجة حرارة المفاعل العالية.

إن إنتاج الوقود هو مجرد أحد أغراض الملح المنصهر. يجب أن تحمي المادة نفسها مغناطيس المفاعل من الإشعاع النيوتروني، وتبرد الجدار المواجه للبلازما، وتزيل الحرارة لتدوير التوربين.

في هذه الحالة، من الضروري أن تحدث كل هذه العمليات في وقت واحد مع القصف النيوتروني، مما يغير التركيب الكيميائي. يعد تطوير ملح يمكنه تحمل هذه الأحمال المتضاربة والاستمرار في إطلاق التريتيوم أحد التحديات الرئيسية لعلم المواد في إنشاء هذا النوع من مفاعلات الاندماج. حتى الآن، تم حلها إما من خلال تجارب مكلفة ومعقدة، أو باستخدام طرق تقريبية للحسابات الكلاسيكية، والتي لا توفر دقة مقبولة.

والآن لجأنا إلى الحوسبة الفائقة الموجهة الكم – أو ببساطة، قاموا بتوزيع الحسابات على عدة حواسيب عملاقة كلاسيكية وحاسوب كمي واحد. وبنفس الطريقة، قمنا بتصميم النموذج الأكبر سابقًا جزيء البروتين.

“يعتمد عملنا على التقدم في نمذجة الأنظمة البيولوجية المعقدة على نطاقات واسعة، بما في ذلك البروتينات التي يصل حجمها إلى 12635 ذرة، ويمتد نطاق هذه التقنيات إلى علم المواد، مما يسمح بدراسة أنظمة الاندماج بدقة وكفاءة أكبر”، أوضح المؤلف المشارك كينيث ميرز من عيادة كليفلاند.

تم الحصول على البيانات الأولية من خلال محاكاة الديناميكيات الجزيئية لـ FLiBe مع أو بدون التريتيوم على كمبيوتر عملاق. لقد اخترنا تسعة “إطارات تجميد” منها بحيث تكون مختلفة عن بعضها البعض قدر الإمكان، وقسمناها إلى مجموعات تتكون كل منها من 21 ذرة، وقمنا بتحميلها في كمبيوتر كمي من شركة IBM بحيث قام بحساب طاقة الربط للتريتيوم. تبين أن الحساب دقيق بشكل مدهش – مع وجود خطأ لا يزيد عن 0.7 كيلو كالوري / مول.

كان المصيد هو جمع كل المجموعات معًا، والذي تم إجراؤه على كمبيوتر فائق السرعة – بسبب التقديرات التقريبية والافتراضات، زاد الخطأ إلى 12-30 كيلو كالوري / مول.

يرى المؤلفون أن التطوير الإضافي هو تحسين خوارزميات التجزئة وزيادة المجموعات إلى الحد الديناميكي الحراري – ومن ثم ستساعد أجهزة الكمبيوتر الكمومية البشرية على اتخاذ خطوة نحو محطات الطاقة النووية الحرارية المستقبلية.