شرکت ترامپف (Trumpf)، سازنده لیزرهای مورد استفاده در ابزارهای ساخت تراشه EUV شرکت ASML، برای کشف راه‌های جدید بهینه‌سازی لیزرهای خود به محاسبات کوانتومی روی آورده است. ترامپف با شرکای خود از Fraunhofer ILT و مرکز دالم در دانشگاه آزاد برلین همکاری می‌کند تا بررسی کند که آیا رایانه‌های کوانتومی مدرن می‌توانند واقعاً مؤثرتر از ابررایانه‌های کلاسیک امروزی مورد استفاده قرار گیرند یا خیر. اگر رایانه‌های کوانتومی کارآمدتر عمل کنند، می‌توانند سیستم‌های لیزر CO2 نسل بعدی را بهبود بخشند.

واحدهای لیزر مبتنی بر CO2 به طور گسترده در تولید نیمه‌هادی‌ها (به‌ویژه در منابع نوری برای ابزارهای لیتوگرافی DUV و EUV، مانند آنهایی که توسط سایمر برای ابزارهای NXE و EXE شرکت ASML توسعه یافته‌اند)، صنعت گسترده‌تر غیرنیمه‌هادی و فوتونیک سیلیکونی مورد استفاده برای اتصال‌پذیری به کار گرفته می‌شوند. از این رو، این گروه دو مسیر فناوری را بررسی خواهد کرد: کاربردهای صنعتی معمول لیزرهای CO2 و جهت‌گیری علمی اکتشافات میکروسکوپی. این ابتکار با حدود 1.8 میلیون یورو از وزارت آموزش و تحقیقات فدرال آلمان حمایت می‌شود.

محاسبات کوانتومی × مکانیک کوانتومی

رایانه‌های کوانتومی ممکن است در مدل‌سازی لیزرهای CO2 از ابررایانه‌های کلاسیک بهتر عمل کنند، زیرا فیزیک این لیزرها — تبادلات انرژی ارتعاشی و چرخشی، برخوردهای مولکولی و دینامیک وارونگی جمعیت — ذاتاً کوانتوم مکانیکی هستند. ابررایانه‌های کلاسیک تمایل دارند این فرآیندها را تقریبی کنند، زیرا نمایش کامل یک سیستم کوانتومی چندحالته نیازمند ذخیره تعداد نمایی رو به رشدی از دامنه‌ها است که برای ابررایانه‌های موجود که شرکت‌هایی مانند ترامپف می‌توانند به آنها دسترسی داشته باشند، دشوار می‌شود.

در همین حال، یک رایانه کوانتومی می‌تواند حالت‌های کوانتومی را به صورت بومی نمایش دهد: n کیوبیت می‌تواند یک فضای حالت 2ⁿ بعدی را بدون استفاده از مقادیر DRAM که شبیه‌سازی‌های کلاسیک را محدود می‌کنند، کدگذاری کند. این امر سخت‌افزار کوانتومی را برای شبیه‌سازی تعاملات چندجسمی و جداشده که ترتیب بهره، تلفات و رفتار انتقال انرژی را در داخل لیزرهای CO2 تعیین می‌کنند، بسیار مناسب‌تر می‌سازد. با بلوغ کلی ماشین‌های کوانتومی، آنها می‌توانند پیش‌بینی‌های بسیار دقیق‌تر و بهینه‌سازی سریع‌تر طرح‌های لیزر صنعتی را ممکن سازند.

بیایید امتحان کنیم؟

وظیفه اصلی اولین کارگروه این است که تعیین کند آیا سخت‌افزار کوانتومی می‌تواند تعاملات پیچیده کوانتوم مکانیکی را که نحوه تولید و تقویت نور توسط ذرات را کنترل می‌کنند، مدیریت کند یا خیر. Fraunhofer ILT تجربه خود را در شبیه‌سازی دستگاه‌های نیمه‌هادی ارائه می‌دهد، در حالی که مرکز دالم تخصص خود را در توصیف دینامیک برخوردهای مولکولی فراهم می‌کند.

 یک جزء فنی اصلی این کار شامل ترجمه توصیفات تثبیت شده رفتار انتقال انرژی به اشکالی است که برای الگوریتم‌های کوانتومی مناسب باشند. ترامپف در حال توسعه اولین نسخه‌های این الگوریتم‌های کوانتومی و هماهنگی آزمایش آنها است. یکی از اهداف اولیه، مجموعه فرآیندهای حاکم بر تقویت لیزر CO₂ است، جایی که پیش‌بینی دقیق نحوه حرکت انرژی بین حالت‌های مولکولی مختلف برای بهینه‌سازی خروجی نوری و عملکرد کلی سیستم حیاتی است.

محققان با بررسی روش‌های شبیه‌سازی فعلی و بنچمارک‌گیری رویکردهای اولیه کوانتومی آغاز کرده‌اند تا ببینند کجا ممکن است مزایایی ارائه دهند. از آنجایی که رایانه‌های کوانتومی امروزی اساساً نمونه‌های اولیه هستند و فاقد استحکام لازم برای بارهای کاری صنعتی بزرگ می‌باشند، تأکید بر ایجاد دانش فنی مورد نیاز برای بهره‌برداری از ماشین‌های کوانتومی توانمندتر پس از ورود آنها است. این شامل تأیید این است که آیا بخش‌های خاصی از مدل‌های فیزیک لیزر می‌توانند بر روی سخت‌افزار کوانتومی کارآمدتر از ابررایانه‌های معمولی اجرا شوند یا خیر.

بخش دیگری از این طرح، استفاده از درک بهبود یافته از رفتار میکروسکوپی برای هدایت طراحی‌های آینده لیزر است، از پالایش محیط‌های بهره تا تنظیم نحوه تعامل منابع پمپ با مواد فعال. پیش‌بینی‌های دقیق‌تر می‌تواند در نهایت منجر به عملکرد بالاتر، کاهش مصرف برق یا دستگاه‌های فشرده‌تر شود که به طور بالقوه بر دستگاه‌های واقعی که از لیزرهای ترامپف استفاده می‌کنند، از جمله ابزارهای لیتوگرافی، تأثیر می‌گذارد.

 در نهایت، ترامپف اشاره می‌کند که پیشرفت‌ها در مدل‌سازی لیزر CO₂ که توسط الگوریتم‌های کوانتومی امکان‌پذیر شده‌اند، می‌تواند تأثیر زیست‌محیطی دستگاه‌های مبتنی بر لیزر را کاهش دهد. با این حال، با توجه به اینکه این مطالعه در مراحل اولیه توسعه خود قرار دارد، تأثیر واقعی محاسبات کوانتومی بر دستگاه‌هایی که از لیزرهای CO2 استفاده می‌کنند، در این مرحله به سختی قابل تصور است.