Компания Trumpf, производитель лазеров, используемых в установках EUV-литографии ASML, обращается к квантовым вычислениям для поиска новых способов оптимизации своих лазеров. Trumpf сотрудничает с партнерами из Института Фраунгофера ILT и Центра Далема при Свободном университете Берлина, чтобы выяснить, могут ли современные квантовые компьютеры быть более эффективными, чем современные классические суперкомпьютеры. Если квантовые компьютеры окажутся более эффективными, они смогут улучшить лазерные системы CO2 следующего поколения.
Лазерные установки на основе CO2 широко используются в производстве полупроводников (в частности, в источниках света для DUV- и EUV-литографических инструментов, таких как разработанные Cymer для инструментов ASML NXE и EXE), в более широкой не полупроводниковой промышленности и в кремниевой фотонике, используемой для обеспечения связности. Таким образом, группа будет изучать два направления развития технологий: типичные промышленные применения CO2-лазеров и научное направление микроскопических исследований. Инициатива поддерживается Федеральным министерством образования и исследований Германии, которое выделило около 1,8 миллиона евро.
Квантовые компьютеры могут превзойти классические суперкомпьютеры в моделировании CO2-лазеров, поскольку физика этих лазеров — обмены колебательной и вращательной энергией, молекулярные столкновения и динамика инверсии населенностей — является по своей сути квантово-механической. Классические суперкомпьютеры, как правило, аппроксимируют эти процессы, поскольку полное представление многоуровневой квантовой системы требует хранения экспоненциально растущего числа амплитуд, что становится трудным для существующих суперкомпьютеров, к которым имеют доступ такие компании, как Trumpf.
Между тем, квантовый компьютер может представлять квантовые состояния изначально: n кубитов могут кодировать 2ⁿ-мерное пространство состояний без использования объемов DRAM, которые ограничивают классическое моделирование. Это делает квантовое оборудование гораздо более подходящим для моделирования несвязанных многочастичных взаимодействий, которые управляют усилением, потерями и поведением переноса энергии внутри CO2-лазеров. По мере развития квантовые машины в целом могут обеспечить гораздо более точные прогнозы и более быструю оптимизацию конструкций промышленных лазеров.
Основная задача первой целевой группы — определить, может ли квантовое оборудование справиться со сложными квантово-механическими взаимодействиями, которые управляют тем, как частицы генерируют и усиливают свет. Институт Фраунгофера ILT вносит свой опыт в моделирование полупроводниковых устройств, а Центр Далема предоставляет экспертные знания в описании динамики молекулярных столкновений.
Важным техническим компонентом работы является перевод устоявшихся описаний поведения переноса энергии в формы, подходящие для квантовых алгоритмов. Trumpf разрабатывает первые версии этих квантовых алгоритмов и координирует их тестирование. Одной из первых целей является набор процессов, управляющих усилением CO₂-лазеров, где точное прогнозирование того, как энергия перемещается между различными молекулярными состояниями, имеет решающее значение для оптимизации параметров оптического выхода и общей производительности системы.
Исследователи начали с обзора текущих методов моделирования и ранних квантовых подходов, чтобы увидеть, где они могут предложить преимущества. Поскольку современные квантовые компьютеры по сути являются прототипами и не обладают надежностью, необходимой для больших промышленных нагрузок, основное внимание уделяется наращиванию ноу-хау, необходимых для использования более мощных квантовых машин, когда они появятся. Это включает в себя проверку того, могут ли определенные части моделей лазерной физики работать более эффективно на квантовом оборудовании, чем на обычных суперкомпьютерах.
Другая часть плана заключается в использовании улучшенного понимания микроскопического поведения для управления будущими конструкциями лазеров, от уточнения активных сред до регулировки того, как источники накачки взаимодействуют с активными материалами. Более точные прогнозы могут в конечном итоге привести к более высокой производительности, снижению энергопотребления или более компактным устройствам, что потенциально повлияет на фактические устройства, в которых используются лазеры Trumpf, включая литографические инструменты.
И последнее, но не менее важное: Trumpf отмечает, что достижения в моделировании CO₂-лазеров, ставшие возможными благодаря квантовым алгоритмам, могут снизить воздействие лазерных устройств на окружающую среду. Тем не менее, учитывая, что исследование находится на ранних стадиях разработки, фактическое влияние квантовых вычислений на устройства, использующие CO2-лазеры, в данный момент практически невозможно представить.
Автор – Anton Shilov
