博士毕业生助力量子计算进军聚变能研究

从 Rice University 获得化学与生物分子工程博士学位不到一年，Thiago J. Pinheiro 已经在利用世界上一些最先进的 计算 工具，帮助应对聚变能面临的基础挑战之一。

Thiago J. Pinheiro 在 Rice University 期间展示他的工作。图片来源：Rice University

Thiago J. Pinheiro 目前是 Oak Ridge National Laboratory 的博士后研究员，负责研究熔盐及其他与能源技术相关的材料在原子尺度上的行为。他最近在 ORNL、Cleveland Clinic 和 IBM 之间的合作 中发挥了关键作用，该合作在与聚变能相关的熔盐分子结构上进行了已知首次量子计算。

该研究结合了经典高性能计算和 IBM 量子计算机来研究 FLiBe。FLiBe 是一种氟化锂和氟化铍的混合物，被认为是未来反应堆中包裹聚变反应的液体“包层”的主要候选材料。该包层可用于生产氚，这是一种许多拟议聚变系统所需的稀有氢同位素燃料。在分子水平上了解氚如何与 FLiBe 相互作用，是生产和回收足够维持聚变反应堆运行的氚的重要一步。

对 Thiago J. Pinheiro 而言，这个项目是他此前在 Rice University 奠定的研究基础的自然延伸。

“Rice University 在为我从事这项工作做准备方面发挥了至关重要的作用，”Thiago J. Pinheiro 说。“我在热力学、分子模拟、量子力学和计算材料科学方面接受的严谨训练，为我为一个集合了聚变科学、量子化学、超级计算和量子硬件的项目做出贡献奠定了基础。”

该研究采用了“以量子为中心的超级计算”方法，将复杂的计算分配给经典计算机和量子计算机。研究人员检查了 FLiBe 的几种分子构型，包括它与氚的相互作用，以探索这种结合方法是否能准确描述熔盐的电子结构和结合行为。这项工作是更广泛努力的一部分，旨在确定新兴量子技术在解决难题材料问题时可以在哪些方面补充经典超级计算。

Thiago J. Pinheiro 是该研究的第二作者，他利用分子动力学模拟生成了熔融 FLiBe 的代表性原子结构。这些构型及其经典基准能量为随后的电子结构计算（包括使用量子硬件进行的计算）提供了真实的起点。

“我的职责是生成具有物理意义的原子环境，作为后续计算的基础，”Thiago J. Pinheiro 说。“它将我在熔盐模拟方面的专业知识与涉及聚变科学、量子化学、高性能计算和量子计算的更广泛工作联系了起来。”

在 ORNL，Thiago J. Pinheiro 结合使用密度泛函理论、分子动力学模拟、机器学习力场和统计力学来预测材料在原子尺度的行为。他在 Rice University 的博士训练不仅让他学会了使用这些计算方法，还让他具备了跨学科工作的能力，因为日益复杂的科学问题需要多个领域的专业知识。