Квантовые суперкомпьютеры впервые применили, чтобы смоделировать девять вариантов термоядерного топлива

Термоядерный синтез может обеспечить человечество чистой энергией. Для поддержания реакции инженерам необходим тритий — тяжелый радиоактивный изотоп водорода. Этот элемент крайне редко встречается в природе, поэтому физики планируют нарабатывать его прямо внутри будущих реакторов.

Один из главных способов получения трития требует использования жидкого расплава солей фтора, лития и бериллия. Когда реактор работает, радиация разбивает атомы лития и превращает их в тритий. Ученым нужно точно знать, как именно новые атомы связываются с окружающими молекулами соли, чтобы эффективно извлекать готовое топливо.

Просчитать поведение этих молекул сложно: 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 квантовый суперкомпьютер, чтобы решить эту проблему. Результаты опубликовали на сервере препринтов arXiv. Ученые поставили цель рассчитать энергию связывания трития в девяти различных пространственных конфигурациях солевого расплава.

Для этого использовали гибридный алгоритм. Физики разделили цифровые модели молекул соли на отдельные фрагменты. Классический компьютер обсчитывал простые части молекулы. Самые сложные участки, содержавшие до 33 электронных орбиталей, отправлялись на квантовый процессор. Затем алгоритм объединял ответы в единый результат.

Квантовый компьютер справился со сложными химическими симуляциями, а его предсказания совпали с показаниями самых точных классических эталонных моделей.

Физики 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.

Авторы научной работы убедились, что квантовые процессоры вычисляют электронные состояния внутри сложных фрагментов практически безупречно. Теперь предстоит найти лучший способ математического разделения самой 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 так инженеры получат возможность искать на компьютерах «идеальный рецепт» соли для реакторов.

Илья Гриднев

187 статей

Автор материалов на стыке разных областей знания — от археологии и палеонтологии до физики и технологий. Интересуется тем, как работает мир, и рассказывает об этом понятно и увлекательно.

Показать больше

Закладка

Скопировать ссылку

Email

Печать

Twitter

VK

Telegram