חוקרים שילבו מעבד קוונטי מסוג Heron עם מחשבי־על כדי לחשב את המבנה האלקטרוני של צברי FLiBe, חומר הנבחן להפקת טריטיום בכורי היתוך. התוצאות מראות שהחישוב הקוונטי של חלקי הבעיה היה מדויק, אך גם חושפות כי שיטת חלוקת החומר לחלקים עדיין מגבילה את אמינות המודל
חוקרים מ־IBM, מהמעבדה הלאומית אוק רידג', מהמרכז הרפואי Cleveland Clinic ומאוניברסיטת מישיגן סטייט השתמשו במחשב קוונטי כדי לחשב כיצד טריטיום נקשר לצברים קטנים של מלח מותך. מלח זה, המכונה FLiBe, נחשב לאחד החומרים המועמדים לשמש מעטפת סביב הפלזמה בכורי היתוך עתידיים.
החוקרים לא פיתחו חומר חדש ולא הוכיחו כי אפשר לייצר באמצעותו את כל כמות הטריטיום שתידרש לתחנת כוח. המחקר הוא הוכחת היתכנות חישובית: ניסיון לבדוק אם שילוב של מחשב קוונטי ומחשבים קלאסיים מסוגל לבצע חישובים כימיים מדויקים בחומר יוני מורכב. המאמר פורסם ב־arXiv כקדם־פרסום ועדיין לא עבר ביקורת עמיתים.
האתגר: לייצר את הדלק בתוך הכור
מרבית התכנונים לכורי היתוך מהדור הראשון נשענים על תגובה בין דאוטריום לטריטיום, שני איזוטופים של מימן. דאוטריום מצוי בשפע יחסי במים, אולם טריטיום נדיר, רדיואקטיבי ומתפרק עם הזמן.
כדי שכור היתוך יוכל להפיק חשמל ברציפות, עליו לייצר בתוך הכור לפחות את כמות הטריטיום שהוא צורך. לשם כך מתכננים להקיף את תא הפלזמה במעטפת המכילה ליתיום. נייטרונים עתירי אנרגיה הנפלטים מתגובת ההיתוך פוגעים בליתיום־6 ומייצרים גרעין הליום וגרעין טריטיום.
לפי החוקרים, כור בהספק של גיגה־ואט אחד עשוי להזדקק לכחצי קילוגרם טריטיום ביום — כמות גדולה ביחס למלאי העולמי הקיים, המוערך בכ־25 קילוגרם בלבד. לכן ייצור הטריטיום, הפרדתו מן החומר והחזרתו אל הפלזמה נחשבים לאחד החסמים המרכזיים בפני הפעלת כורי היתוך מסחריים.
מהו FLiBe?
FLiBe הוא מלח מותך המורכב מתערובת של ליתיום פלואוריד ובריליום פלואוריד. הוא נבחן כחומר מעטפת משום שהוא יכול לספוג חום, להגן על רכיבי הכור מפני חלק מן הקרינה ולספק את הליתיום הדרוש ליצירת טריטיום.
אלא שהכימיה של החומר אינה פשוטה. לאחר שנוצר הטריטיום, הוא עשוי להיקשר לאטומי הפלואור ולהישאר לכוד במלח בצורת יון, או להפוך למולקולה ניטרלית שיכולה להשתחרר ממנו בקלות רבה יותר.
כדי לתכנן מערכת יעילה צריך לדעת מהי הצורה הכימית המועדפת על הטריטיום, באיזו עוצמה הוא נקשר למלח וכיצד משתנה התנהגותו בטמפרטורות הגבוהות ובסביבה עתירת הנייטרונים של הכור. חישוב מדויק של קשרים אלה מחייב תיאור של המתאם בין אלקטרונים רבים — משימה שהופכת במהירות ליקרה מאוד גם במחשבי־על.
המחשב הקוונטי טיפל בחלקים הקשים
החוקרים החלו בתשע תצורות של צברי FLiBe שנלקחו מהדמיות של מלח מותך. בכל צבר היו בין 21 ל־23 אטומים. הם חילקו כל צבר לקטעים קטנים יותר באמצעות שיטה המכונה Embedded Wave Function, או פונקציית גל משובצת.
הקטעים הקטנים נפתרו בשיטות קלאסיות. קטעים גדולים יותר, שכללו 13 עד 33 אורביטלים מרחביים, הועברו למעבד קוונטי מדגם IBM Heron r3. החישוב הגדול ביותר תורגם למעגל בן 66 קיוביטים.
המחשב הקוונטי לא הפיק לבדו את התשובה הסופית. הוא שימש ליצירת דגימות של תצורות אלקטרוניות אפשריות. לאחר מכן עברו הדגימות לעיבוד קלאסי, שבחר את התצורות החשובות וביצע אלכסון של המילטוניאן במרחב מצומצם.
השיטה, המכונה ext-SQD, מדגימה את המודל שאליו מכוונת IBM בשנים הקרובות: המחשב הקוונטי פועל כמאיץ למשימה מסוימת בתוך מערך רחב הכולל מעבדים קלאסיים, מעבדים גרפיים ומחשבי־על.
דיוק גבוה בחלק הקוונטי
כאשר השוו החוקרים את פתרון הקטעים שהתקבל באמצעות החומרה הקוונטית לחישובי ייחוס קלאסיים מדויקים, הם מצאו התאמה טובה. בחישוב ההבדלים בין תשע תצורות הצברים, הסטייה המרבית הייתה 0.7 קילוקלוריות למול והסטייה המוחלטת הממוצעת הייתה 0.3 קילוקלוריות למול.
גם בחישוב אנרגיית הקישור של הטריטיום, השיטה הקוונטית נשארה בטווח של פחות מקילוקלוריה למול ביחס לפתרון הקלאסי של אותו קטע. לדברי החוקרים, זהו יישום ראשון מסוגו של שיטת חישוב קוונטית־קלאסית במערכת יונית טעונה של מלח אי־אורגני מותך.
אולם התוצאה אינה מעידה עדיין על יתרון קוונטי על פני מחשבי־על. החוקרים השתמשו בחישובים קלאסיים כדי לבנות את המודל, להכין את המעגלים, לבדוק את התוצאות ולעבד את הדגימות. בחלק מן המקרים הם אף יכלו לבצע חישוב ייחוס מלא במחשבים קלאסיים, אם כי בעלות חישובית גבוהה.
מקור השגיאה העיקרי לא היה המחשב הקוונטי
אחד הממצאים החשובים במחקר הוא שהשגיאה העיקרית לא נבעה מן המעבד הקוונטי, אלא מן האופן שבו המערכת חולקה לקטעים.
כאשר החוקרים השוו את שיטת הקטעים לחישובים שהתייחסו לצבר המולקולרי בשלמותו, נמצאו הבדלים ממוצעים של כ־12 קילוקלוריות למול באנרגיות של התצורות וכ־110 קילוקלוריות למול באנרגיות הקישור של הטריטיום.
המשמעות היא שהמחשב הקוונטי פתר באופן מדויק יחסית את הבעיה שנמסרה לו, אך הבעיה עצמה לא ייצגה עדיין את כל האינטראקציות ארוכות הטווח, הקיטוב והקשרים הכימיים בתוך המלח. החוקרים כותבים כי שיפור בניית הקטעים חשוב כרגע יותר משיפור דיוקו של הפותר הקוונטי.
עדיין רחוק מחיזוי חומר לכור
הצברים שנבדקו כללו לכל היותר 23 אטומים, בעוד שחיזוי אמין של מלח מותך בתנאים מציאותיים יחייב תאי הדמיה של יותר ממאה אטומים, דגימה של מספר רב של תצורות וחישובי אנרגיה חופשית בטמפרטורת הפעולה של הכור.
יהיה צורך גם לשפר את שיטת חלוקת המערכת, להגדיל את הקטעים, להשתמש בבסיסים כימיים מדויקים יותר ולבחון צורות כימיות נוספות של טריטיום. רק לאחר מכן ניתן יהיה להשוות באופן מהימן בין הרכבים שונים של מלח מותך ולהעריך אילו מהם יאפשרו להפיק ולחלץ טריטיום ביעילות.
לכן המחקר אינו מוכיח שמחשב קוונטי תכנן "מתכון" מוכן לכור היתוך. הוא מראה שחומרה קוונטית קיימת יכולה להשתלב בחישוב כימי מורכב ולפתור חלקים מסוימים שלו בדיוק המתקרב לשיטות קלאסיות יקרות.
צעד לקראת מחשוב קוונטי שימושי
החשיבות הרחבה יותר של המחקר אינה מוגבלת להיתוך גרעיני. חישובים של מבנים אלקטרוניים וקשרים כימיים נדרשים בפיתוח סוללות, זרזים, חומרים מגנטיים, תרופות וחומרים עמידים לקרינה.
הגישה ההיברידית מאפשרת להשאיר את רוב העבודה בידי מחשבים קלאסיים ולהפנות למעבד הקוונטי רק קטעים שבהם מספר התצורות האפשריות גדל במהירות. הצלחת השיטה תלויה לא רק במספר הקיוביטים, אלא גם באיכות חלוקת הבעיה, בעומק המעגלים, במספר הדגימות וביכולת לעבד את התוצאה במחשבים קלאסיים.
המחקר מספק אפוא דוגמה לשימוש מדעי ממשי במחשב קוונטי, אך גם תזכורת לכך שהדרך מחישוב ניסויי של כמה צברים ועד לתכנון חומר לכור תעשייתי עדיין ארוכה.
שאלות ותשובות
האם המחשב הקוונטי ייצר טריטיום? לא. המחשב חישב את אנרגיית הקישור של טריטיום לצברים קטנים של מלח FLiBe. הטריטיום עצמו ייווצר בעתיד במעטפת הכור כתוצאה מפגיעת נייטרונים בליתיום.
האם החוקרים מצאו חומר חדש לכורי היתוך? לא. FLiBe כבר נחשב מועמד מוכר למעטפות כורי היתוך. המחקר בחן שיטת חישוב חדשה להתנהגות הטריטיום בתוכו.
מדוע נדרש מחשב קוונטי? תיאור מדויק של אלקטרונים המקיימים אינטראקציות במערכת יונית מורכבת דורש משאבי חישוב הגדלים במהירות. המעבד הקוונטי שימש ליצירת תצורות אלקטרוניות עבור הקטעים הגדולים ביותר.
האם המחקר הוכיח יתרון קוונטי? לא. החוקרים הראו שהמעבד הקוונטי הגיע לדיוק גבוה בחלקים מסוימים של החישוב, אך לא הוכיחו שהוא מהיר או זול יותר מן השיטות הקלאסיות בכללותן.
