مختبر ORNL الأمريكي بالتعاون مع IBM يحقق أول استخدام للحوسبة الكمومية لمحاكاة سلوك التريتيوم في مواد الاندماج

أخبار ar.wedoany.com، نشر مختبر أوك ريدج الوطني (ORNL) بالتعاون مع IBM Quantum ومؤسسة كليفلاند كلينيك وغيرها من المؤسسات ورقة بحثية، حققوا فيها لأول مرة استخدام الحوسبة الكمومية في الحسابات الإلكترونية الهيكلية لسلوك التريتيوم الكيميائي في مادة FLiBe، وهي مادة رئيسية في طبقات الاندماج، مما أظهر قدرة إطار الحوسبة الهجين الكمومي-التقليدي على إجراء محاكاة عالية الدقة لهذا النظام المعقد.

يعتمد المسار الرئيسي الحالي للاندماج بالحصر المغناطيسي بشكل أساسي على تفاعل الديوتيريوم-التريتيوم (D-T). تشير الورقة البحثية إلى أن محطة تحويل اندماجية بقدرة 1 جيجاواط تستهلك حوالي 0.5 كجم من التريتيوم يوميًا، بينما يبلغ المخزون العالمي الحالي من التريتيوم حوالي 25 كجم. سيعتمد الاندماج التجاري المستقبلي على عنصر الليثيوم في طبقة الاندماج لإنتاج التريتيوم من خلال التفاعلات النيوترونية، ثم استعادته بكفاءة وإعادة حقنه في البلازما. لذلك، فإن فهم سلوك توليد التريتيوم وانتقاله وارتباطه في مواد الطبقة هو مشكلة أساسية لا يمكن تجنبها في هندسة الاندماج.

يعتبر الملح المنصهر FLiBe (LiF-BeF₂) مادة مرشحة مهمة لمفاعلات الاندماج المتقدمة، حيث يحتوي على الليثيوم الذي يمكنه إنتاج التريتيوم عبر التفاعلات النيوترونية، كما أن تشغيله في الحالة السائلة يمكنه تحمل وظائف نقل الحرارة وتوليد الوقود في آن واحد. ولكن التريتيوم في بيئة الملح المنصهر عالية الحرارة قد يتواجد بأشكال مختلفة مثل أيون التريتيوم (T⁺) أو جزيء التريتيوم (T₂) أو تكوين هياكل معقدة مع الفلور (F-T-F)، وهذه الأشكال ترتبط ارتباطًا مباشرًا بزمن بقاء التريتيوم وكفاءة استخلاصه وتكاليف دورته.

يمثل فهم سلوك التريتيوم في FLiBe تحديًا حسابيًا. تواجه الطرق التقليدية مثل نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) ومحاكاة الديناميكا الجزيئية (MD) ودوال الجهد الآلي (MLFF) قيودًا في الدقة عند معالجة أنظمة الارتباط الإلكتروني القوي مثل جزيئات الملح المنصهر المعقدة المحتوية على التريتيوم والتجمعات الأيونية المشحونة. أما طرق التفاعل التام (FCI) أو طرق العنقود المزدوج عالية الدقة، فإن تكلفتها الحسابية تتصاعد بشكل أسي مع حجم النظام، مما يجعل من الصعب تطبيقها على بيئات مواد الاندماج الحقيقية.

نُشرت هذه الدراسة على منصة arXiv للمطبوعات الأولية، بعنوان "الحوسبة الكمومية لأملاح طبقة الاندماج المنصهرة" (Quantum Computations on Fusion Blanket Molten Salts). ركز الباحثون على آلية ارتباط التريتيوم بمواد الطبقة، واستخدموا إطار الحوسبة الكمومي-التقليدي المضمن لحساب 9 تكوينات جزيئية مختلفة لـ FLiBe. لم يقوموا بمحاكاة الطبقة الكلية بشكل مباشر، بل استخدموا خوارزمية "القطر الكمومي الموسع القائم على العينات" (ext-SQD) لحل الأجزاء المعقدة بواسطة معالج IBM Heron الكمومي، ثم قارنوا النتائج مع نتائج FCI التقليدية عالية الدقة.

أظهرت النتائج أن انحراف طريقة ext-SQD الكمومية عن نتائج FCI يبلغ حوالي 0.7 كيلو كالوري/مول، ومتوسط الانحراف المطلق حوالي 0.3 كيلو كالوري/مول. هذه هي المرة الأولى في الصناعة التي يتم فيها تحقيق التحقق من الحوسبة الكمومية-التقليدية بنجاح في الأنظمة الأيونية المشحونة، وخاصة في أنظمة الأملاح المنصهرة غير العضوية.

يمثل هذا البحث علامة فارقة، حيث يشير إلى أن تطوير مواد الاندماج قد ينتقل من النمط التقليدي القائم على التجربة والخطأ إلى مرحلة التصميم الحسابي لجينوم المواد القائم على الحوسبة عالية الأداء ونماذج الذكاء الاصطناعي والحوسبة الكمومية. في الماضي، كان تطوير مواد الطبقة يعتمد على دورة طويلة من "التجربة والخطأ - اختبار التشعيع النيوتروني - تقييم الأداء الكلي". في المستقبل، وبفضل دمج الحوسبة عالية الأداء والذكاء الاصطناعي والحوسبة الكمومية، قد يتمكن الباحثون من التنبؤ بدقة، على المستوى الذري أو حتى الكمومي، بملاءمة تركيبات الأملاح المنصهرة لتحرير التريتيوم. في الوقت نفسه، تكشف هذه الدراسة أيضًا أن دورة وقود التريتيوم تتحول من مشكلة هندسة أنظمة كلية إلى مشكلة علم مواد أساسية.

تفتح هذه الورقة البحثية مسارًا تقنيًا لاستخدام الحوسبة الكمومية في أبحاث مواد الاندماج. في الوقت نفسه، تشير الدراسة أيضًا إلى أن النطاق الحالي للحوسبة الكمومية لا يزال غير كافٍ لتغطية الظروف الهندسية على المستوى الكلي، مما يتطلب في المستقبل أنظمة حوسبة كمومية أكبر حجمًا واختراقات إضافية في الخوارزميات الأساسية. يمثل التعاون متعدد التخصصات بين ORNL وIBM Quantum وكليفلاند كلينيك اتجاهًا لتكامل تقني يستحق الاهتمام.