Κβαντικοί υπολογιστές της IBM εντοπίζουν το ιδανικό καύσιμο

Σύνοψη

• Ερευνητές της IBM, του Oak Ridge National Lab (ORNL) και της Cleveland Clinic χρησιμοποίησαν για πρώτη φορά κβαντικούς υπολογιστές για την προσομοίωση υλικών πυρηνικής σύντηξης.
• Το σύστημα κατάφερε να υπολογίσει εννέα διαφορετικές μοριακές διαμορφώσεις του FLiBe (ένα τηγμένο άλας), το οποίο είναι ο βασικός υποψήφιος για την παραγωγή καυσίμου στους αντιδραστήρες.
• Το μεγαλύτερο εμπόδιο για τη σύντηξη είναι η έλλειψη τρίτιου, ενός σπάνιου ισοτόπου που πρέπει να «αναπαραχθεί» τεχνητά μέσα στον ίδιο τον αντιδραστήρα.
• Η «κβαντικο-κεντρική υπερυπολογιστική» συνδυάζει CPU, GPU και QPU, λύνοντας προβλήματα χημείας σε ατομικό επίπεδο που οι κλασικοί υπολογιστές αδυνατούν να προσομοιώσουν με ακρίβεια.

Η επίτευξη ελεγχόμενης πυρηνικής σύντηξης αποτελεί έναν από τους πιο σύνθετους τεχνικούς και επιστημονικούς στόχους της σύγχρονης μηχανικής. Μέχρι σήμερα, τα εμπόδια εντοπίζονταν τόσο στη διατήρηση του πλάσματος σε ακραίες θερμοκρασίες όσο και στην εύρεση του κατάλληλου καυσίμου. Πρόσφατα, μια επιστημονική ομάδα αποτελούμενη από ερευνητές του Oak Ridge National Laboratory (ORNL), της Cleveland Clinic και της IBM (NYSE: IBM) ανακοίνωσε ένα σημαντικό ορόσημο, ενσωματώνοντας την κβαντική πληροφορική στη διαδικασία της έρευνας υλικών.

Η συγκεκριμένη συνεργασία, η οποία εντάσσεται στους ευρύτερους στόχους της αποστολής Genesis του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE), επικεντρώνεται στο πώς οι υπερυπολογιστές μπορούν να μοντελοποιήσουν ακριβείς αλληλεπιδράσεις χημικών στοιχείων που υπόκεινται σε ακραίες συνθήκες. Το αποτέλεσμα της έρευνάς τους δημοσιεύθηκε ήδη στο arXiv και καταγράφει την πρώτη γνωστή περίπτωση χρήσης κβαντικών υπολογιστών για τον υπολογισμό υλικών σύντηξης.

Πώς οι κβαντικοί υπολογιστές λύνουν το πρόβλημα του καυσίμου

Για πρώτη φορά, ερευνητές της IBM, του Oak Ridge National Laboratory και της Cleveland Clinic χρησιμοποίησαν έναν κβαντικό υπερυπολογιστή για να υπολογίσουν εννέα μοριακές διαμορφώσεις του FLiBe. Το συγκεκριμένο τηγμένο άλας είναι κρίσιμο για την παραγωγή τρίτιου, του σπανιότατου καυσίμου που απαιτείται στους αντιδραστήρες πυρηνικής σύντηξης, προσφέροντας μια βιώσιμη λύση για καθαρή ενέργεια.

Το πρόβλημα του τρίτιου και η λύση του FLiBe

Οι περισσότεροι προτεινόμενοι αντιδραστήρες σύντηξης (όπως οι αντιδραστήρες τύπου tokamak που έχουν σχήμα ντόνατ) τροφοδοτούνται από τη σύντηξη δύο ισοτόπων του υδρογόνου: του τρίτιου και του δευτέριου. Η χημική αντίδραση μεταξύ αυτών των δύο παράγει έναν πυρήνα ηλίου, ένα ελεύθερο νετρόνιο και 17,6 megaelectronvolts (MeV) ενέργειας. Το δευτέριο είναι σταθερό και σχετικά εύκολο να βρεθεί, ωστόσο το τρίτιο είναι εξαιρετικά σπάνιο. Στη Γη, εμφανίζεται μόνο σε ίχνη στην ατμόσφαιρα ως αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης με τις κοσμικές ακτίνες.

Για να καταστεί η πυρηνική σύντηξη βιώσιμη πηγή ενέργειας, οι επιστήμονες πρέπει να βρουν έναν αποδοτικό τρόπο να «αναπαράγουν» το τρίτιο μέσα στον ίδιο τον αντιδραστήρα. Η λύση που επικρατεί αυτή τη στιγμή στο τραπέζι του σχεδιασμού περιλαμβάνει ένα κάλυμμα αναπαραγωγής από FLiBe, ένα τηγμένο άλας που αποτελείται από φθοριούχο λίθιο και φθοριούχο βηρύλλιο. Καθώς τα νετρόνια από το πλάσμα της σύντηξης χτυπούν αυτό το άλας, παράγεται το πολύτιμο τρίτιο.

Η δυσκολία έγκειται στο γεγονός ότι το FLiBe αλλάζει δυναμικά μορφή και συμπεριφορά υπό συνθήκες ακραίας θερμότητας, έντονης ακτινοβολίας νετρονίων και ισχυρών μαγνητικών πεδίων. Οι κλασικοί υπερυπολογιστές, όταν λειτουργούν αυτόνομα, δυσκολεύονται να κλιμακώσουν τους υπολογισμούς τους με αρκετή ακρίβεια ώστε να προσομοιώσουν την κβαντομηχανική συμπεριφορά αυτού του υλικού. Εκεί ακριβώς παρεμβαίνει η τεχνολογία της IBM.

Κβαντικο-κεντρική υπερυπολογιστική σε δράση

Η συνεργασία χρησιμοποίησε τεχνικές «κβαντικο-κεντρικής υπερυπολογιστικής» (quantum-centric supercomputing). Το συγκεκριμένο υπολογιστικό μοντέλο δεν βασίζεται αποκλειστικά σε κβαντικούς επεξεργαστές, αλλά συνδυάζει τη δύναμη των CPU, GPU και QPU για την επίλυση προβλημάτων που κανένα από αυτά τα συστήματα δεν θα μπορούσε να λύσει από μόνο του. Το σύστημα αναλαμβάνει να σπάσει το επιστημονικό πρόβλημα, στέλνοντας τα κομμάτια που μεταφράζονται σε κβαντικά κυκλώματα κατευθείαν στον κβαντικό υπολογιστή.

• Χαρτογράφηση διαμορφώσεων: Η ομάδα υπολόγισε επιτυχώς εννέα διαφορετικές μοριακές διαμορφώσεις του FLiBe.
• Ηλεκτρονιακή δομή: Ο ακριβής υπολογισμός επέτρεψε την κατανόηση του πώς ακριβώς συμπεριφέρονται τα άτομα στο συγκεκριμένο άλας σε θεμελιώδες μοριακό επίπεδο.
• Δεσμοί μορίων: Μέτρησαν τον βαθμό ισχύος με τον οποίο κάθε διαφορετική διαμόρφωση του άλατος «δεσμεύει» το τρίτιο, παρέχοντας τον μηχανισμό εξαγωγής του καυσίμου.
• Προηγούμενη εμπειρία: Οι ίδιες ακριβώς κβαντικές μέθοδοι είχαν εφαρμοστεί στο παρελθόν από την Cleveland Clinic για την επιτυχή προσομοίωση πρωτεϊνών μεγέθους 12.635 ατόμων.

Ο Jerry Chow, CTO του τμήματος Quantum-Centric Supercomputing της IBM, επισήμανε ότι τα δεδομένα αποτελούν ισχυρή απόδειξη πως οι κβαντικοί υπολογιστές δεν είναι πλέον θεωρητικά κατασκευάσματα, αλλά πρακτικά επιστημονικά εργαλεία στα χέρια χημικών και επιστημόνων υλικών. Η προσέγγιση εξοικονομεί τεράστιους πόρους, καθώς οι επιστήμονες μπορούν να προσομοιώσουν τις αντιδράσεις ψηφιακά και με ακρίβεια, γλιτώνοντας χρόνο από εξαιρετικά κοστοβόρα (και συχνά αδιέξοδα) πειράματα στο φυσικό εργαστήριο.