قام فريق من العلماء من مختبر أوك ريدج الوطني (ORNL) وكليفلاند كلينك وشركة IBM (NYSE: IBM ) بحساب تسعة تكوينات جزيئية لمادة واعدة لإنتاج وقود لطاقة الاندماج - وهي أول حالة معروفة لمثل هذه الحسابات على أجهزة الكمبيوتر الكمومية.

تُعدّ هذه الحسابات، التي عُرضت في ورقة بحثية جديدة نُشرت على موقع arXiv، تحديًا حسابيًا كبيرًا للحواسيب التقليدية عند تشغيلها منفردة. وهي خطوة أساسية نحو تحسين إنتاج واستخراج التريتيوم، وهو مادة نادرة للغاية في الطبيعة، ضرورية لإنتاج طاقة الاندماج النووي باستخدام معظم الأجهزة المقترحة. لطالما شكّل ضمان إمدادات كافية من التريتيوم عائقًا أمام تحقيق وعد الطاقة النظيفة والوفيرة من محطات طاقة الاندماج النووي، ويُعدّ حلّ هذه المشكلة هدفًا رئيسيًا لمهمة جينيسيس التابعة لوزارة الطاقة الأمريكية.

تُعدّ الحواسيب الكمومية مناسبة تمامًا لحساب التركيب الكيميائي على المستوى الذري لملح سائل يحتوي على الفلور والليثيوم والبريليوم (FLiBe)، وهو أحد أبرز المواد المرشحة لاستخلاص وقود التريتيوم في مفاعلات الاندماج النووي. ولحساب التكوينات المختلفة لتجمعات FLiBe، استخدم الفريق نفس تقنيات الحوسبة الفائقة الكمومية التي تُطبّق حاليًا على محاكاة بروتينية تضم 12635 ذرة بالتعاون مع كليفلاند كلينك. تُمكّن هذه الأساليب من حساب السلوك الكمومي للإلكترونات في المواد المعقدة، مما يُكمّل ويُعزّز قدرات الحواسيب الفائقة والخوارزميات التقليدية.

قال توم بيك، رئيس قسم المشاركة العلمية في مديرية الحوسبة والعلوم الحاسوبية في مختبر أوك ريدج الوطني: "بهدف إثبات القدرات التي حفزتها مهمة جينيسيس، قمنا بتشكيل فريق من كبار الخبراء من سبعة مختبرات وطنية تابعة لوزارة الطاقة الأمريكية، وأربع جامعات، وثلاثة شركاء صناعيين، وعيادة كليفلاند، وذلك لمتابعة دورة اكتشاف متعددة الجوانب تهدف إلى تحسين إنتاج التريتيوم في مواد غطاء الاندماج المصنوعة من الأملاح المنصهرة. وتُعد الحواسيب الكمومية، كتلك التي طورتها شركة آي بي إم وعززتها تقنيات الذكاء الاصطناعي والحوسبة فائقة السرعة، أدوات أساسية تُسرّع دورات الاكتشاف والتصميم اللازمة لإنتاج كميات كافية من التريتيوم لتشغيل مفاعلات الاندماج النووي."

قال الباحث الرئيسي، الدكتور كينيث ميرز، الباحث العلمي في كليفلاند كلينك: "يستند هذا العمل إلى إنجازاتنا في محاكاة الأنظمة البيولوجية المعقدة على نطاق واسع، بما في ذلك البروتينات التي تتكون من 12635 ذرة، ويوسع نطاق هذه التقنيات لتشمل علم المواد لاستكشاف الأنظمة ذات الصلة بالاندماج النووي بدقة وكفاءة أكبر. في كليفلاند كلينك، نركز على تطبيق التقنيات المتقدمة لتعميق الفهم العلمي وتسريع الاكتشاف. ويعكس هذا التعاون الأهمية المتزايدة للحوسبة الكمومية والذكاء الاصطناعي والحوسبة عالية الأداء كأدوات للبحث العلمي. ومن خلال الجمع بين هذه التقنيات، يستطيع الباحثون تقديم حلول لمشاكل واقعية معقدة بسرعة ودقة أكبر."

قال جيري تشاو، كبير مسؤولي التكنولوجيا في قسم الحوسبة الفائقة الكمومية بشركة IBM: "يُعدّ الجمع بين الحوسبة الكمومية والذكاء الاصطناعي والحوسبة التقليدية أمرًا بالغ الأهمية لمواجهة التحديات العلمية الأساسية التي تواجه مجتمعنا، إذ يُتيح إمكانيات لا يُمكن لأي من هذه النماذج الوصول إليها بمفردها. وتُضيف هذه النتائج إلى الأدلة المتزايدة على أن الحوسبة الفائقة الكمومية أصبحت الآن أداة علمية عملية لحلّ المشكلات التي لطالما شكّلت تحديًا للكيميائيين والمهندسين وعلماء المواد. ومع توسّع نطاق الحواسيب الكمومية، يبدو الطريق أمامنا واعدًا."

تحدي التريتيوم في قلب طاقة الاندماج

يتماشى هذا الاستكشاف مع الهدف الأوسع لمهمة جينيسيس، والمتمثل في توحيد الحوسبة عالية الأداء والذكاء الاصطناعي والحوسبة الكمومية مع الأجهزة العلمية الرئيسية في مختبرات وزارة الطاقة الأمريكية السبعة عشر، وذلك لتسريع الاكتشافات العلمية. وبصفتها أحد المتعاونين الصناعيين في المهمة، تعمل شركة IBM مع شركائها لاستكشاف كيف يمكن للحوسبة الفائقة الكمومية - التي تجمع بين وحدات المعالجة المركزية ووحدات معالجة الرسومات ووحدات المعالجة الكمومية لحل المشكلات التي لا تستطيع كل منها معالجتها بمفردها - أن تساعد في مواجهة التحديات الوطنية الحاسمة، بما في ذلك النمذجة الدقيقة للتفاعلات المعقدة بين المواد للمساعدة في توفير إمدادات الوقود لمحطات الطاقة الاندماجية واسعة الانتشار والعاملة بكامل طاقتها.

يُعدّ تحسين التركيبة المثلى لـ FLiBe - الذي يتغير تركيبه ديناميكيًا تحت تأثير الإشعاع النيوتروني المكثف والحرارة الشديدة والمجالات المغناطيسية - أحد أصعب التحديات العلمية والهندسية اليوم. ويتطلب ذلك دراسة معمقة لخصائصه الكمومية، بما في ذلك الطاقة والاستقرار والتفاعل مع التريتيوم، لفهم كيفية أدائه لوظائف متعددة، من بينها دوره كمادة لتوليد التريتيوم في درجات حرارة عالية جدًا. واليوم، لا يُمكن إجراء مثل هذه الأبحاث إلا من خلال تجارب صعبة ومكلفة، أو من خلال أساليب الحوسبة الكلاسيكية التقريبية التي قد تفتقر إلى الدقة.

لحساب طاقات التكوينات المختلفة لمركب FLiBe بوجود التريتيوم وبدونه، استخدم الفريق الحوسبة الفائقة الكمومية لتمكين الحواسيب الكمومية والكلاسيكية من العمل معًا، حيث تُحل أجزاء المسألة التي يمكن تقسيمها إلى دوائر كمومية على حاسوب كمومي. وقد مكّن هذا الفريق من تحديد البنية الإلكترونية للمادة بدقة أكبر، وكيفية تفاعل ذراتها، ولا سيما قوة ارتباطها بالتريتيوم على المستوى الجزيئي الأساسي. وبدورهم، استطاع العلماء تحديد نطاق التكوينات التي تتحرك عبرها الذرات، واستخلاص خصائص - مثل قوة ارتباط كل تكوين بالتريتيوم وآلية هذا الارتباط - التي كانت ستبقى خفية لولا ذلك.

الطريق أمامنا

لا يزال التعاون مستمراً، ويهدف إلى تقليل الوقت اللازم لنقل البيانات بين الموارد الكمومية والكلاسيكية، وتوسيع نطاق محاكاة التفاعلات الجزيئية. ويأمل الفريق في نهاية المطاف أن يتمكن قطاع طاقة الاندماج من استخدام هذه الآلية مباشرةً لتصميم مواده الخاصة والتحقق من صحتها.

يُضاف هذا العمل إلى مجموعة متنامية من الإنجازات لعام 2026 التي تُظهر أجهزة الكمبيوتر الكمومية من IBM كأدوات علمية مفيدة - بما في ذلك محاكاة المواد المغناطيسية الحقيقية، وإنشاء جزيء نصف موبيوس لم يسبق له مثيل، ونمذجة البروتينات ذات الصلة بالبحوث البيولوجية التي تمتد إلى 12635 ذرة.