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量子運算跨入核融合燃料研發，IBM與美國國家實驗室突破氚增殖材料模擬瓶頸

關鍵字：量子運算；核融合；氚(Tritium)；FLiBe熔鹽；IBM；Oak Ridge National Laboratory；Genesis Mission；量子化學模擬；潔淨能源；高效能運算
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科技產業資訊室 (iKnow) - 黃松勳 發表於 2026年7月15日
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圖、量子運算跨入核融合燃料研發，IBM與美國國家實驗室突破氚增殖材料模擬瓶頸

核融合被視為未來最具潛力的潔淨能源技術之一，但距離商業化仍面臨多項技術挑戰，其中最關鍵的問題之一是燃料來源。近期，美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL）、克里夫蘭醫學中心（Cleveland Clinic）與IBM共同宣布，首次利用量子電腦完成核融合燃料相關材料的分子結構計算，為解決氚（Tritium）供應難題跨出重要一步。

目前主流托卡馬克（Tokamak）核融合反應爐大多採用氘與氚作為燃料組合。氘可從海水中大量取得，但氚在自然界極為稀少，全球供應主要來自少數核分裂反應爐副產品。若未來核融合電廠無法自行生產足夠氚燃料，商業化部署將受到嚴重限制，因此如何有效增殖與回收氚已成為全球核融合產業的重要課題。

此次研究聚焦於名為氟鋰鈹（Fluoride Lithium Beryllium, FLiBe）的熔鹽材料，由氟化鋰與氟化鈹組成。FLiBe被認為是核融合反應爐「增殖包層」（Breeding Blanket）的重要候選材料，能利用融合反應釋放出的中子與鋰反應產生新的氚燃料，同時兼具熱傳導與中子屏蔽功能。

然而，FLiBe在高溫、高中子通量與強磁場環境下，其內部化學反應極為複雜。研究人員必須理解氚在熔鹽中的結合方式與化學形態，才能設計有效的燃料回收機制。傳統密度泛函理論（DFT）雖是材料模擬的重要工具，但在強離子性熔鹽系統中的準確度仍有限，往往無法精確判斷氚的化學行為。

為突破此限制，研究團隊導入IBM提出的「量子中心超級運算」（Quantum-Centric Supercomputing）架構，結合量子處理器（QPU）、傳統CPU、高效能運算（HPC）與人工智慧模型，建立量子與傳統運算協同工作的混合式流程。研究團隊成功計算出九種FLiBe分子構型，並分析不同結構下氚的結合特性。

研究成果顯示，量子運算能更精準描述材料中的電子結構與分子鍵結強度，進而協助研究人員了解氚在不同化學環境中的穩定性與遷移機制。相較於完全依賴實驗驗證，此類模擬可先篩選最具潛力的材料組態，大幅降低實驗成本與開發時間。

此次成果也是美國能源部（DOE）「創世紀任務」(Genesis Mission)的重要里程碑之一。創世紀任務旨在整合美國17座國家實驗室的高效能運算、人工智慧、量子運算及大型科研設施，加速能源、材料與國家安全等關鍵領域的科學突破。核融合燃料自主供應能力正是其核心研究目標之一。

從量子科技發展角度觀察，本研究也展現量子電腦開始從理論驗證逐步走向實際科學應用。近年IBM已陸續利用量子運算模擬磁性材料、蛋白質分子及特殊化學結構，此次則首次將應用範圍擴展至核融合材料科學，證明量子運算在複雜化學問題上的潛在價值正在提升。

儘管目前研究仍屬概念驗證階段，距離直接設計完整核融合增殖包層尚有相當距離，但此成果已建立可持續擴展的研究框架。未來隨著量子硬體規模提升、量子演算法改良以及AI模型輔助分析能力增強，量子運算有望成為新世代材料研發的重要工具，加速核融合能源從實驗室邁向商業化應用。(1090字；圖1)


參考資料：
Quantum Computers Identify Nuclear Fusion Fuel in Major First. ScienceAlert, 2026/7/13
Oak Ridge National Lab, Cleveland Clinic, and IBM Achieve First-Known Computations of Fusion Materials on a Quantum Computer. IBM, 2026/7/6
First Quantum Computation of Fusion Fuel Lands as White House Sets 2030 Clock. TechTimes, 2026/7/7
Fusion Fuel Chemistry Yields to Quantum Computing in World-First Calculation. TechTimes, 2026/7/7
IBM Quantum Fusion Materials Study Targets Tritium. eeNews Europe, 2026/7/6

 

 
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