Квантовый суперкомпьютер впервые смоделировал поведение термоядерного топлива

Термоядерный синтез обещает человечеству практически неисчерпаемый источник чистой энергии. Однако для поддержания реакции нужен тритий — тяжелый радиоактивный изотоп водорода, который крайне редко встречается в природе. Инженеры планируют нарабатывать его прямо внутри реакторов, облучая литийсодержащие материалы нейтронами. Один из перспективных способов — использование жидкого расплава солей фтора, лития и бериллия.

Как работает «топливный котел»

Когда реактор работает, радиация разбивает атомы лития, превращая их в тритий. Новые атомы связываются с окружающими молекулами соли, и ученым нужно точно знать, как именно это происходит, чтобы эффективно извлекать готовое топливо. Сложность в том, что соль состоит из заряженных ионов, которые постоянно взаимодействуют и искажают электронные облака друг друга. Классические суперкомпьютеры не справлялись с расчетом таких свойств из-за колоссального числа переменных.

В новой работе физики применили гибридный квантовый алгоритм. Они разделили цифровые модели молекул соли на фрагменты: простые части обсчитывал классический компьютер, а самые сложные участки — содержащие до 33 электронных орбиталей — передавались на квантовый процессор. Затем алгоритм объединял результаты в единый ответ.

Квантовый прорыв в химии расплавов

Квантовый компьютер успешно справился с задачей, а его предсказания совпали с показаниями самых точных классических эталонных моделей. Ученые выяснили, что тритий образует с атомами фтора экстремально прочные связи: изотоп оказывается заперт внутри молекулярной структуры расплава. Именно эта жесткая сцепка мешает легко извлекать готовое топливо из жидкости.

«Зная точную силу взаимодействия атомов, инженеры смогут придумать эффективный химический способ высвобождать тритий для питания реактора», — отмечают авторы работы. Они убедились, что квантовые процессоры вычисляют электронные состояния внутри сложных фрагментов практически безупречно. Теперь предстоит найти лучший способ математического разделения молекулы на части, чтобы алгоритм не терял данные о взаимодействии атомов на границах.

В итоге физики успешно протестировали работу квантовых систем на сложной заряженной жидкости и сделали еще один шаг к созданию цифровой лаборатории для термоядерной энергетики. В будущем инженеры смогут искать на компьютерах «идеальный рецепт» соли для реакторов, не проводя дорогостоящих и опасных экспериментов.