IBM חישבה לראשונה חומר מפתח להיתוך קוונטי

צוות חוקרים של IBM, המעבדה הלאומית אוק רידג' בטנסי ומכון המחקר של קליבלנד קליניק הצליח לראשונה לחשב תשע תצורות מולקולריות של FLiBe — חומר שנחשב מועמד מוביל לייצור טריטיום עבור כורי היתוך גרעיני — בעזרת מחשב קוונטי. מדובר בחישוב מורכב במיוחד, ולכן העבודה בוצעה בשיטה היברידית ששילבה בין מחשב קוונטי לבין מחשב-על קלאסי.

למה דווקא FLiBe חשוב כל כך

FLiBe הוא מלח מותך המבוסס על פלואור, ליתיום ובריליום, ונחשב לאחד החומרים המבטיחים ביותר לתהליכי הפקת טריטיום. טריטיום, איזוטופ רדיואקטיבי של מימן, הוא חומר נדיר בטבע אך חיוני לרוב מערכות ההיתוך הנבחנות כיום בעולם. אחת הבעיות המרכזיות בתחום היא לא רק איך להפעיל כור היתוך בצורה יציבה, אלא גם איך להבטיח אספקה סדירה של הדלק שנדרש לו.

כאן נכנס האתגר המדעי: כדי להשתמש ב-FLiBe בצורה יעילה, צריך להבין לעומק כיצד האלקטרונים שבו מתנהגים ברמה הקוונטית, ואיך הרכב מולקולרי שונה משפיע על יציבות החומר. זו משימה שמכבידה מאוד על מחשבים קלאסיים לבדם, בעיקר כשמנסים לדמות מערכות מורכבות בתנאים קיצוניים.

השילוב בין מחשב-על למחשב קוונטי

לדברי החוקרים, החידוש אינו רק בתוצאה אלא גם בשיטה. במקום להסתמך על סוג אחד של מחשוב, הם חילקו את העבודה בין מערכות שונות: המחשב הקוונטי טיפל בחלקים שבהם התנהגות החומר ברמה האטומית הופכת מורכבת במיוחד, בעוד מחשב-העל הקלאסי השלים את החישובים הרחבים יותר. השילוב הזה נועד להרחיב את מה שמדענים יכולים לדמות כיום, בלי להמתין לדור עתידי של מחשבים קוונטיים חזקים בהרבה.

המשמעות המעשית היא שגישה היברידית כזו עשויה לאפשר תכנון מדויק יותר של חומרים חדשים, ולזרז תהליכים שנמשכים כיום זמן רב במעבדה ובסימולציה. בתחום כמו היתוך גרעיני, שבו כל שיפור בחומרי הגלם עשוי להשפיע על בטיחות, יעילות ועלות, מדובר בהתפתחות בעלת חשיבות רחבה.

החסם שמאט את מרוץ ההיתוך

אחד המכשולים הגדולים בדרך לייצור חשמל מהיתוך גרעיני הוא זמינות הטריטיום. גם אם יפותחו כורים יציבים, ללא יכולת לייצר או למחזר את החומר בהיקף מספק, קשה יהיה להפוך את הטכנולוגיה למקור אנרגיה מסחרי. משום כך, אופטימיזציה של חומרים כמו FLiBe נחשבת למשימה אסטרטגית ולא רק למחקר בסיסי.

הקושי גדל עוד יותר משום שהחומר נדרש לפעול בסביבה עוינת במיוחד: קרינת ניוטרונים חזקה, טמפרטורות גבוהות מאוד ושדות מגנטיים עוצמתיים. בתנאים כאלה, גם שינוי קטן בהרכב או במבנה המולקולרי עשוי להשפיע על היציבות והביצועים.

חלק מתוכנית אמריקנית רחבה יותר

העבודה משתלבת בתוכנית Genesis של משרד האנרגיה האמריקני, שמבקשת לחבר בין מחשוב עתיר ביצועים, בינה מלאכותית ומחשוב קוונטי כדי להאיץ מחקר מדעי לאומי. במסגרת הזו נבחנת גם השאלה כיצד לקצר את זמני העברת הנתונים בין מערכות קלאסיות לקוונטיות, וכיצד להגדיל את מספר האינטראקציות המולקולריות שניתן לדמות באותה סימולציה.

היעד ארוך הטווח, כפי שמציגים החוקרים, הוא לאפשר לקהילת המחקר בתחום ההיתוך להשתמש בכלים הללו כדי לתכנן, לבדוק ולאמת חומרים חדשים בקצב מהיר ומדויק יותר. מבחינת IBM, זהו גם מבחן ליכולת של מחשוב קוונטי להראות ערך מדעי מעשי כבר כיום, ולא רק כהבטחה עתידית.

שנה עמוסת הישגים ל-IBM

החברה הציגה בחודשים האחרונים כמה תוצאות שנועדו להמחיש את השימושיות של מחשוב קוונטי במחקר. בין היתר, היא דיווחה על סימולציות של חלבונים המורכבים מ-12,635 אטומים באמצעות שילוב של מחשב קוונטי ומחשב-על, וכן על הדמיה של חומרים מגנטיים ממשיים ויצירה של מולקולת חצי-מביוס שלא נצפתה קודם לכן בטבע.

המחקר החדש מציב את ההישגים האלה בהקשר רחב יותר: ניסיון להפוך את המחשוב הקוונטי מכלי ניסיוני לפלטפורמה שמסייעת לפתור בעיות חומריות והנדסיות מהקשות ביותר במדע המודרני, ובהן גם אחת השאיפות הוותיקות ביותר של תחום האנרגיה — הפקת חשמל מהיתוך גרעיני על בסיס דלק זמין ויעיל יותר.