Computación Cuántica y Fusión Nuclear: La Receta para fabricar un «Sol en la Tierra»

Desde hace casi un siglo, la Fusión Nuclear se presenta como el santo grial de la energía:
la promesa de replicar en la Tierra la misma reacción que hace brillar al Sol, obteniendo
cantidades inmensas de energía limpia, sin los residuos ni los riesgos de fusión del núcleo
asociados a las centrales de fisión actuales. Pero como bien podréis imaginar, construir un
”Sol artificial” es más fácil de decir que de hacer. 

Y no, esta vez el problema no está sólo en confinar un plasma a millones de grados con
campos magnéticos. Hay un obstáculo mucho más mundano y del que se habla bastante
menos: el combustible.

Este es precisamente el escenario que analiza el artículo de The Register titulado ”Boffinsbet on quantum computers, AI supers to solve fusion fuel dilemma”, donde se explica
cómo el Departamento de Energía de EE.UU., la Cleveland Clinic e IBM han unido fuerzas
para atacar este problema con una combinación de superordenadores, inteligencia artificialy ordenadores cuánticos.

Para conseguir la fusión necesitamos dos ingredientes: Deuterio y Tritio (Tritium), dos isótopos pesados
del hidrógeno. El primero no supone ningún problema, ya que es abundante y se puede
extraer del agua del mar. El segundo, en cambio, es el auténtico cuello de botella: el Tritio
es radiactivo, se desintegra con rapidez y prácticamente no existe de forma natural en la
Tierra.

El problema: un combustible que no existe (casi)

Para que os hagáis una idea de la magnitud del problema: la producción mundial de Tritio es de apenas unos pocos kilos al año, mientras que una sola central de fusión de un Gigavatio (GW) consumiría en torno a medio kilo al día. Es decir, todo el Tritio del planeta mantendría
funcionando un único reactor durante unas pocas semanas. 

Es como querer montar una red
de gasolineras en un mundo donde el petróleo se vende por gotas. La conclusión es evidente: una central de fusión comercial no puede depender de un
suministro externo, sino que debe fabricar su propio combustible mientras funciona.

La solución: una manta de sal fundida

La propuesta más prometedora consiste en envolver el reactor con una gruesa ”manta” de una
sal fundida llamada FLiBe, compuesta por Flúor, Litio y Berilio. La idea es tremendamente
elegante: cuando un neutrón sale disparado de la reacción de fusión y golpea un átomo de Litio-6 de la sal, este se rompe generando Helio y… ¡Tritio fresco! El Berilio, por su parte,
multiplica los neutrones sueltos para que la ”cría” de combustible sea suficiente, mientras
que el flúor y el litio mantienen la mezcla líquida y estable a las temperaturas infernales del
reactor.

Pero aquí llega la letra pequeña. Una vez generado el Tritio dentro de la sal, hay que sacarlo
de ahí, y su comportamiento químico puede seguir dos caminos muy distintos:

• 
  Si el Tritio permanece libre en forma de gas: burbujea y sale solo de la mezcla. ¡Perfecto!

• 
  Si en cambio se une al flúor, forma fluoruro de Tritio: un compuesto corrosivo y muy
  difícil de extraer. Un auténtico quebradero de cabeza.

Predecir cuál de los dos caminos tomará requiere modelar la química de la sal con una
precisión extrema. Y aquí los métodos clásicos se quedan cortos: la técnica habitual, la Teoría del Funcional de la Densidad (DFT), puede cometer errores de hasta el 10% en
la energía libre del sistema, un margen inaceptable para responder a la pregunta clave. 

Además, hacer experimentos reales con sales fundidas es carísimo y requiere instalaciones
muy especializadas. ¿Os suena este patrón?  Un problema de naturaleza cuántica que desborda a los ordenadores
clásicos… ¡Es justo el tipo de tarea para el que nacieron los ordenadores cuánticos!

Como ya hemos comentado en otros artículos de este blog, los ordenadores cuánticos no
vienen a sustituir a los clásicos, sino a complementarlos en problemas muy concretos. Y este
trabajo es el ejemplo perfecto de esa filosofía, bautizada por IBM como Supercomputación Cuántico-Céntrica: combinar CPUs, GPUs & QPUs (procesadores cuánticos) para resolver
juntos lo que ninguno puede resolver por separado.

La estrategia que han seguido los investigadores es muy ingeniosa:

• Fragmentación del problema: mediante una técnica llamada wave function-based
  embedding, el cálculo de la molécula completa se trocea en fragmentos manejables
  llamados ”clusters”.

• Reparto del trabajo: los ordenadores clásicos resuelven los clusters sencillos,
  mientras que el ordenador cuántico se encarga de los más complejos, aquellos con
  mayor entrelazamiento entre átomos, utilizando un algoritmo llamado Sample-Based Quantum Diagonalization (SQD).

• Reconstrucción: finalmente, los ordenadores clásicos ”recosen” todos los fragmentos
  para obtener la solución de la molécula completa.

Lo curioso es que esta metodología no nació para la fusión: es la misma que utilizó laCleveland Clinic a principios de año para simular una proteína de 12.635 átomos. La
ciencia es así de caprichosa, y una técnica desarrollada para biomedicina acaba siendo clave
para la energía del futuro.

Con este enfoque, el equipo calculó las energías de nueve configuraciones moleculares
de FLiBe (clusters de 21 iones cada una), con y sin Tritio, siendo la primera vez que se
realizan este tipo de cálculos de materiales de fusión en un ordenador cuántico. 

Y lo más
importante es que los resultados cuánticos igualaron a los métodos clásicos más exigentes. Puede
parecer poco ambicioso ”sólo igualar”, pero es la prueba de concepto necesaria que demuestra
que el camino cuántico funciona y está listo para escalar hacia donde los clásicos ya no llegan.

El futuro: un bucle de IA, superordenadores y cuántica

Este cálculo es solo una pieza de un plan mucho más ambicioso. El objetivo a largo plazo
es construir un flujo de trabajo en bucle, asistido por agentes de inteligencia artificial, que
funcione en tres etapas:

El sueño de los investigadores es que, en el futuro, los ingenieros de fusión puedan diseñar y
validar una sal fundida completamente por ordenador antes de mezclarla y calentarla en un
laboratorio, ahorrando años de experimentos y cantidades ingentes de dinero.

Eso sí, seamos honestos con las limitaciones: el problema completo requiere modelar una
manta de sal de un metro de grosor con del orden de un cuatrillón de partículas, algo
que seguirá fuera del alcance de la química computacional durante mucho tiempo.  El plan
inmediato es más modesto pero realista: aumentar el tamaño de los clusters mucho más
allá de los 21 iones actuales y calcular los cientos de configuraciones que exige el problema
completo, no solo nueve.

En definitiva, estamos presenciando cómo tres de las tecnologías más punteras de nuestro
tiempo (la Inteligencia Artificial, la Supercomputación y la Computación Cuántica) dejan de
competir entre sí para unir fuerzas contra uno de los grandes problemas de ingeniería de
la humanidad.  Los ordenadores cuánticos ya no solo prometen revolucionar el futuro: están
ayudando a construirlo. La pregunta es inevitable: ¿será la cuántica la pieza que por fin
encienda nuestro propio sol en la Tierra?