破解燃料荒難題，IBM 攜手科學家利用量子超級運算取得核融合新突破

核融合能源長期以來被視為人類擺脫化石燃料依賴的終極解方，但如何在地球上打造出「人造太陽」，始終是科學界難以跨越的巨大挑戰。如今，一項由美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL）、克利夫蘭診所與 IBM 共同完成的突破性研究，為這個跨世紀難題帶來全新曙光。

根據 7 月 6 日發布的最新成果，這支跨界科學家團隊首次在量子電腦上完成了核融合材料的複雜計算，成功找出 9 種深具應用潛力的燃料生產材料「分子構型」。這項成果同時也是美國能源部（DOE）「創世紀任務」（Genesis Mission）計畫的重要里程碑。

氚：極度稀缺的核融合關鍵燃料

核融合反應需要以「氚」（Tritium）做為燃料，這是一種含有一個質子與兩個中子的放射性氫同位素，在自然界中極為罕見。如何達成氚的大規模量產，長期以來是核融合邁向商業化發電的最大瓶頸。

為此，研究人員將目光投向由氟、鋰、鈹組成的熔鹽混合物（FLiBe）。這種熔鹽過去常被用做實驗性核分裂反應爐的冷卻劑，如今則被視為核融合反應爐中萃取氚燃料的最具潛力候選者。其原理在於，FLiBe 熔鹽可做為一種「增殖環境」（Breeder environment），在反應爐運作時持續生成氚。

然而，要將 FLiBe 的配方最佳化絕非易事。預測 FLiBe 分子簇的「電子基態能量」是理解其如何與氚結合的關鍵步驟，但這類龐大的計算對傳統電腦而言不僅極度耗費資源，且十分容易出錯。而量子電腦在解決最佳化與計算化學問題上的天賦，恰好完美填補了這項技術缺口。

量子電腦攻克化學難題

研究團隊導入了「以量子為中心的超級運算」（Quantum-centric supercomputing）技術，將複雜的問題拆解為可由量子處理器（QPU）求解的量子電路，並進一步結合 CPU 與 GPU 進行協同運算。值得一提的是，這套方法與克利夫蘭診所先前用來模擬高達 12,635 個原子蛋白質的技術架構如出一轍，如今被成功延伸應用至材料科學領域。

IBM 在其官方部落格中說明，這種混合運算架構讓研究團隊能更精確地掌握材料的電子結構及其原子行為，特別是在基礎分子層面上，各種構型與氚的結合強度。最終，研究人員成功識別出 9 種 FLiBe 分子簇構型，並精準萃取出各構型結合氚的機制與強度等關鍵特性。

IBM 量子中心超級運算技術長傑里·蕭（Jerry Chow）表示：「將量子運算、人工智慧與傳統運算結合起來，對於解決人類社會最根本的科學挑戰至關重要，因為這種能力是任何單一運算架構都無法獨自實現的。這些成果進一步證明，以量子為核心的超級運算，如今已成為解決長期困擾化學家、工程師和材料科學家難題的實用科研工具。」

研究團隊透露，目前三方的合作仍在持續推進，下一階段的目標是縮短量子與傳統運算資源之間的資料傳輸延遲，並進一步擴大可模擬的分子交互作用規模。

儘管量子電腦在此次研究中展現出令人振奮的潛力，為燃料難題指引了方向，但距離核融合發電真正實現商業化運轉，人類無疑還有一段漫長的路要走。

（首圖可見在未來的核融合反應爐中，從電漿釋放出的中子會撞擊外圍的「熔鹽層」，藉此生成關鍵燃料「氚」。這項最新研究正是利用了量子電腦，成功模擬出氚與熔鹽原子之間的交互作用；來源：IBM）