Ein Team von Wissenschaftlern des Oak Ridge National Laboratory (ORNL), der Cleveland Clinic und von IBM hat neun molekulare Konfigurationen eines vielversprechenden Materials zur Erzeugung von Brennstoff für die Fusionsenergie berechnet – der erste bekannte Fall solcher Berechnungen auf Quantencomputern.
Solche Berechnungen, die in einem neuen, auf arXiv veröffentlichten Artikel vorgestellt werden, stellen für klassische Computer eine große rechnerische Herausforderung dar, wenn sie allein durchgeführt werden. Sie sind ein grundlegender Schritt zur Optimierung der Herstellung und Gewinnung von Tritium – einem in der Natur äußerst seltenen Material, das für die Erzeugung von Fusionsenergie mit den meisten der vorgeschlagenen Anlagen erforderlich ist. Die Sicherstellung einer ausreichenden Tritiumversorgung ist seit langem ein Hindernis für die Verwirklichung des Versprechens sauberer und reichlich vorhandener Energie aus Fusionskraftwerken, und die Lösung dieses Problems ist ein Hauptziel der „Genesis Mission“ des US-Energieministeriums (DOE).
Quantenchemie für den Fusions-Brennstoff
Quantencomputer eignen sich hervorragend zur Berechnung der Chemie auf atomarer Ebene einer flüssigen Salzlösung, die Fluor, Lithium und Beryllium (FLiBe) enthält – eines der führenden Kandidatenmaterialien für die Gewinnung von Tritiumbrennstoff in Fusionsreaktoren. Um verschiedene Konfigurationen von FLiBe-Clustern zu berechnen, nutzte das Team dieselben quantenzentrierten Supercomputing-Techniken, die derzeit gemeinsam mit der Cleveland Clinic bei Proteinsimulationen mit 12.635 Atomen zum Einsatz kommen. Diese Methoden können das Quantenverhalten von Elektronen in komplexen Materialien berechnen und ergänzen und erweitern damit die Fähigkeiten klassischer Supercomputer und Algorithmen.
„Um die durch die Genesis-Mission vorangetriebenen Möglichkeiten zu demonstrieren, haben wir ein Team aus führenden Experten aus sieben nationalen Laboren des DOE, vier Universitäten, drei Industriepartnern und der Cleveland Clinic zusammengestellt, um einen vielschichtigen Forschungszyklus zu verfolgen, der auf die Optimierung der Tritiumproduktion in Fusionsmantelmaterialien aus geschmolzenem Salz abzielt“, sagte Tom Beck, Abteilungsleiter für Wissenschaftskooperation in der Direktion für Informatik und Computerwissenschaften am ORNL. „Quantencomputer, wie sie beispielsweise von IBM gebaut und durch KI sowie Exascale-Rechenleistung erweitert werden, sind Schlüsselwerkzeuge, die die Forschungs- und Entwicklungszyklen beschleunigen, die erforderlich sind, um ausreichend Tritium zur Energieversorgung von Fusionsreaktoren zu produzieren.“
„Diese Arbeit baut auf unseren Fortschritten bei der großmaßstäblichen Simulation komplexer biologischer Systeme auf, darunter Proteine mit 12.635 Atomen, und überträgt diese Techniken auf die Materialwissenschaft, um fusionsrelevante Systeme mit größerer Genauigkeit und Effizienz zu untersuchen“, sagte der korrespondierende Autor Dr. Kenneth Merz, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Cleveland Clinic. „An der Cleveland Clinic konzentrieren wir uns darauf, fortschrittliche Technologien einzusetzen, um das wissenschaftliche Verständnis zu vertiefen und neue Erkenntnisse schneller zu gewinnen. Diese Zusammenarbeit spiegelt die wachsende Bedeutung von Quantencomputern, KI und Hochleistungsrechnen als Werkzeuge für die wissenschaftliche Forschung wider. Durch die Kombination dieser Technologien können Forscher Lösungen für anspruchsvolle Probleme der realen Welt schneller und präziser bereitstellen.“
„Die Zusammenführung von Quanten-, KI- und klassischer Datenverarbeitung ist unerlässlich, um die grundlegendsten wissenschaftlichen Herausforderungen unserer Gesellschaft zu bewältigen – und damit Möglichkeiten zu erschließen, die keines dieser Paradigmen allein bieten kann“, sagte Jerry Chow, CTO für quantenzentriertes Supercomputing bei IBM. „Diese Ergebnisse untermauern die wachsenden Hinweise darauf, dass quantenzentriertes Supercomputing mittlerweile ein praktisches wissenschaftliches Werkzeug für Probleme ist, die Chemiker, Ingenieure und Materialwissenschaftler seit langem beschäftigen. Mit der zunehmenden Leistungsfähigkeit von Quantencomputern ist der Weg in die Zukunft vielversprechend.“
Die Tritium-Herausforderung im Zentrum der Fusionsenergie
Die Forschungsarbeit steht im Einklang mit dem übergeordneten Ziel der Genesis-Mission, Hochleistungsrechnen (HPC), Künstliche Intelligenz und Quantencomputing mit den wichtigsten wissenschaftlichen Instrumenten des Landes in den 17 nationalen Laboren des DOE zu vereinen, um wissenschaftliche Entdeckungen zu beschleunigen. Als einer der Industriepartner der Mission arbeitet IBM gemeinsam mit seinen Partnern daran, zu untersuchen, wie quantenzentriertes Supercomputing – bei dem CPUs, GPUs und QPUs zusammengeführt werden, um Probleme zu lösen, die sie allein nicht bewältigen können – dazu beitragen könnte, entscheidende nationale Herausforderungen anzugehen, darunter die präzise Modellierung komplexer Materialwechselwirkungen, um die Brennstoffversorgung für weit verbreitete, voll funktionsfähige Fusionskraftwerke zu erschließen.
Die Verbesserung der besten Rezeptur für FLiBe – dessen Zusammensetzung sich unter intensiver Neutronenstrahlung, extremer Hitze und Magnetfeldern dynamisch verändert – ist eine der größten wissenschaftlichen und technischen Herausforderungen unserer Zeit. Sie erfordert eine umfassende Untersuchung seiner quantenmechanischen Eigenschaften, einschließlich Energetik, Stabilität und Wechselwirkung mit Tritium, um zu verstehen, wie es mehrere Funktionen erfüllen wird, darunter die eines Tritium-Züchtungsmaterials bei sehr hohen Temperaturen. Derzeit ist eine solche Forschung nur durch aufwendige und kostspielige Experimente oder durch klassische Berechnungsansätze möglich, denen es jedoch an Genauigkeit mangeln kann.
Um die Energien verschiedener FLiBe-Konformationen mit und ohne Tritium zu berechnen, nutzte das Team quantenzentriertes Supercomputing, um die Zusammenarbeit von Quanten- und klassischen Computern zu ermöglichen – dabei werden die Teile eines Problems, die sich in Quantenschaltungen zerlegen lassen, auf einem Quantencomputer gelöst. Dadurch konnte das Team die elektronische Struktur des Materials und das Verhalten seiner Atome genauer bestimmen, insbesondere wie stark sie Tritium auf einer grundlegenden molekularen Ebene binden. Im Gegenzug konnten die Wissenschaftler den Bereich der Konfigurationen identifizieren, durch die sich die Atome bewegten, und Eigenschaften ableiten – beispielsweise, wie stark und durch welchen Mechanismus jede Konfiguration Tritium bindet –, die andernfalls verborgen geblieben wären.
Der Weg in die Zukunft
Die Zusammenarbeit wird fortgesetzt, mit dem Ziel, die Zeit für den Datentransfer zwischen Quanten- und klassischen Ressourcen zu verkürzen und den Umfang der simulierten molekularen Wechselwirkungen zu vergrößern. Letztendlich hofft das Team, dass das Fusionsenergie-Ökosystem diesen Arbeitsablauf direkt nutzen kann, um eigene Materialien zu entwerfen und zu verifizieren.
Diese Arbeit reiht sich ein in eine wachsende Zahl von Meilensteinen aus dem Jahr 2026, die zeigen, dass IBM-Quantencomputer nützliche wissenschaftliche Werkzeuge sind – darunter die Simulation realer magnetischer Materialien, die Erzeugung eines noch nie dagewesenen Halb-Möbius-Moleküls und die Modellierung von Proteinen, die für die biologische Forschung relevant sind und bis zu 12.635 Atome umfassen.
