DOE 量子计算竞赛对核聚变与电池材料意味着什么

美国能源部 (DOE) 于 9月17日 宣布启动 Quantum Genesis Q 竞赛，这是一项耗资 2.15亿美元 的计划，旨在资助私营部门团队竞相构建世界上第一台容错且具有科学相关性的量子计算机。该竞赛采用基于里程碑的结构，而非传统的拨款模式，将为早期技术里程碑向每个团队支付高达 150万美元 的固定奖励，然后由能够分别演示拥有 100、150 和 200 个逻辑量子比特机器的团队分享 1亿美元 的资金池以及两个 5000万美元 的奖金池。申请面向任何私营部门团队，截止日期为 10月19日。

负责科学事务的副部长 Dr. Darío Gil 在预告该公告的媒体电话会议上，从宏大的角度阐述了这一努力。他将其比作早期的重大科学仪器，例如第一批粒子加速器或性能极其强大的望远镜。“这是一台首创的科学仪器，它处理的是自然界最基本的构建模块之一，即量子力学，”Gil 说道。

这种框架——将量子计算视为基础科学基础设施，而非电力基础设施——是准确的，而且 DOE 资助的大部分内容与公用事业公司和发电厂运营商如今的业务经营几乎没有直接关系。但今天同时发布的另一份来自科学办公室咨询委员会 (SCAC) 量子小组委员会的报告，列出了最终技术旨在解决的七个“重大科学挑战”路线图。其中两个挑战正属于电力行业的长期问题：核聚变能源材料，以及下一代电池和超导体。

核聚变的材料瓶颈

SCAC 路线图将核聚变视为其七大挑战之一，里程碑从现在一直延续到 2030s。2026 和 2027 年的近期目标要求对氚结合、等离子体响应模型和材料传输特性进行量子计算——这些基础化学问题如今令经典超级计算机感到吃力。到 2028 年，委员会希望对“限制核聚变设计的关键量”进行经过验证的预测。该报告在 2030年及以后 的远景目标中，其回报更具雄心：模拟综合氚生产和回收、面向等离子体材料，以及反应堆或靶标内部的极端条件——报告称，这些工作可以转化为更可靠的核聚变系统和更快的商业核聚变能源之路。

这并非纯粹的愿景。报告的参考文献引用了 2026年6月 来自橡树岭国家实验室、克利夫兰诊所和 IBM 的预印本，描述了作者称之为首个已知的核聚变包层熔盐量子计算——这是一个早期的真实演示，表明该方法可以触及核聚变开发商实际需要表征的材料。

电池和超导体：在制造前进行设计

第二个重大挑战针对“下一代材料和超导体”。近期里程碑较为温和——2026 年针对已知实验结果模拟简单材料模型，2027 年扩展到更复杂的强关联材料模型，并在 2028 年产生对强关联材料的验证预测。但长期目标才是对电网至关重要的：报告设想量子计算机最终能在制造前预测和设计超导体及储能材料，从而压缩目前需要经过多年试错合成和测试的材料发现过程。

漫长的跑道，而非短期成果

关于时间表，有必要直言不讳。Gil 在媒体电话会议上异常坦率地谈到了甚至达到 2028 年基础硬件里程碑的几率——即一台拥有约 100 个逻辑量子比特、能够进行数亿次容错操作的机器。“我认为按此时间表实现的可能性大概是 50%，”他说道。“如果推迟一年呢？我可能会把几率提高到 75%。如果推迟两年呢？我会给出 90% 以上的几率。”

这一估计仅适用于硬件。SCAC 报告描述的核聚变和材料回报明确处于 2030年及以后 的远景中，比 Q 竞赛本身的里程碑要晚整整一个阶段。DOE 还一直谨慎地不让竞赛预先确定未来国家量子用户设施的形式：官员在电话会议上表示，无论哪种硬件形式赢得当前的竞赛，都不会自动被选为后续设施，他们预计这项技术——就像之前的高性能计算一样——将在几十年内循环经历多种架构。

当被问及 Q 竞赛是否相当于最终用户设施的试镜时，Gil 予以反驳，将其视为他预期将持续数十年的努力的开始。“我们更多地将此视为那段旅程的第一炮，”他说道——而不是终点。

对于一个关注核聚变时间表和电池化学路线图以寻求下一次真正突破的行业来说，这是解读该公告的诚实方式：这是一项长期的联邦博弈，其材料科学的回报即使真的到来，也仍需等待大半个十年。

—Aaron Larson 是 POWER 的执行主编。