科学者たちはオークリッジ国立研究所（Oak Ridge National Laboratory、ORNL）、クリーブランドクリニック（Cleveland Clinic）、およびIBMから集まり、量子コンピュータを用いて主要な核融合燃料材料の分子構造を計算しました。これはチームが初めて行ったこの種のデモンストレーションとされています。この作業はFLiBeに焦点を当てており、これはフッ素、リチウム、ベリリウムから成る融解塩であり、将来の核融合炉におけるトリチウムの生産と抽出の主要材料の一つと見なされています。トリチウムは非常に希少な水素同位体であり、ほとんどの提案された核融合発電所にとって重要です。
研究者たちは量子センターのスーパーコンピュータ技術を利用して、9種類のFLiBeの分子構造を計算し、量子計算と従来の計算を組み合わせて、純粋な従来の計算ではますます困難になっている問題を解決しました。これらの結果は、科学者たちがトリチウムが原子レベルで融解塩とどのように相互作用するかをより良く理解するのに役立ち、将来の核融合炉設計の最適化やトリチウム生産量の向上に必要な洞察を提供する可能性があります。 トリチウムの供給を確保することは、商業核融合エネルギーが直面する最大の課題の一つです。この同位体は自然界に微量しか存在しないため、将来の炉はFLiBeなどの材料を用いて周囲の融解塩被覆層内で自らトリチウムを生成することが期待されています。
量子コンピュータは、原子がどのように結合し相互作用するかを決定する電子の挙動を研究するのに特に適しています。この作業では、研究者たちは12,635個の原子を含むタンパク質のシミュレーションに以前使用されたのと同じ量子センター計算技術を応用し、この方法を生物学の分野から材料科学へと拡張しました。
量子計算技術が核融合燃料研究の進展を推進
“Genesis Missionによって促進された能力を示すために、私たちは7つの米国エネルギー省（DOE）国立研究所、4つの大学、3つの業界パートナー、そしてクリーブランドクリニックからなる専門家チームを結成し、融解塩核融合被覆材料におけるトリチウム生産量を最適化するための多面的な発見サイクルを進めることを目指しています。”とORNLの計算および計算科学部門の部門責任者であるTom Beckは述べています。“IBMが構築し、人工知能とスーパーコンピュータによって強化された量子コンピュータは、核融合炉で使用するための十分なトリチウムを生産するために必要な発見と設計のサイクルを加速するための重要なツールです。
” 科学者たちは量子センターのスーパーコンピュータ技術を使用して、量子プロセッサと従来のコンピュータを協調して動作させています。量子回路は量子ハードウェアに最適な計算部分を処理し、従来の計算が残りのタスクを完了します。この方法により、チームはトリチウムを含むFLiBeと含まないFLiBeの電子構造を計算し、異なる分子構造が燃料の結合強度に与える影響を特定することができました。研究者たちは、これらの原子レベルの相互作用は従来の近似手法では正確に捉えることが難しいと指摘しています。 “この作業は、12,635個の原子を超える複雑な生物システムの大規模シミュレーションにおける私たちの進展に基づいており、これらの技術を材料科学に拡張し、核融合に関連するシステムをより高い精度と効率で探求することを可能にします。”とクリーブランドクリニックの対応著者で研究者の
Kenneth Merz博士は述べています。“量子、人工知能、従来の計算を組み合わせることは、私たちの社会が直面する最も根本的な科学的課題を解決するために重要です——これらのパラダイム単独では得られない能力を開くことができます。” この共同プロジェクトは、次に量子コンピュータと従来のコンピュータ間のデータ転送に必要な時間を短縮し、モデル化可能な分子システムのサイズを拡大することに焦点を当てる予定です。研究者たちは最終的に、核融合開発者がこのワークフローを利用して自らの炉材料を設計し評価できるようになることを期待しています。この研究はarXivに発表されています。