양자 역학이 양자 컴퓨팅과 결합하다.
ASML의 EUV 칩 제조 장비에 사용되는 레이저 제조업체인 트럼프프(Trumpf)가 레이저 최적화의 새로운 방법을 모색하기 위해 양자 컴퓨팅 기술에 주목하고 있습니다. 트럼프프는 파란호퍼 ILT(Fraunhofer ILT)와 베를린 자유 대학교의 달렘 센터(Dahlem Center)와 협력하여, 현대 양자 컴퓨터가 기존의 클래식 슈퍼컴퓨터보다 더 효과적으로 활용될 수 있는지 연구를 진행하고 있습니다. 만약 양자 컴퓨터가 더 효율적임이 입증된다면, 이는 차세대 CO₂ 레이저 시스템의 성능 향상으로 이어질 수 있습니다.
CO₂ 기반 레이저 장치는 반도체 제조 공정(특히 ASML의 NXE 및 EXE 장비에 사용되는 DUV 및 EUV 리소그래피 장비의 광원), 광범위한 비반도체 산업, 그리고 연결성에 사용되는 실리콘 포토닉스 분야에 광범위하게 적용되고 있습니다. 이에 따라 이번 연구 그룹은 CO₂ 레이저의 일반적인 산업 응용 분야와 미시적 메커니즘 탐색이라는 두 가지 기술적 방향을 탐구할 예정이며, 이 이니셔티브는 독일 연방 교육연구부(Federal Ministry of Education and Research)로부터 약 180만 유로의 지원을 받았습니다.
양자 컴퓨팅과 양자 역학
양자 컴퓨터는 CO₂ 레이저의 물리적 특성, 즉 진동 및 회전 에너지 교환, 분자 충돌, 개체군 역전 동역학 등 그 본질 자체가 양자 역학적이기 때문에, 클래식 슈퍼컴퓨터보다 우수한 성능을 발휘할 잠재력이 있습니다. 기존 슈퍼컴퓨터는 이러한 복잡한 과정을 근사적으로 처리하는 경향이 있는데, 이는 다수의 상태를 가진 양자 시스템을 완벽하게 구현하려면 기하급수적으로 증가하는 수의 진폭을 저장해야 하며, 이는 트럼프프와 같은 기업이 접근할 수 있는 기존 슈퍼컴퓨터의 컴퓨팅 한계에 직면하고 있기 때문입니다.
(이후 관련 기사 제목: The future of Quantum computing — the tech, companies, and roadmaps that map out a coherent quantum future / ASML makes breakthrough in EUV chipmaking tech, plans to increase speed by 50% by 2030)
한편, 양자 컴퓨터는 양자 상태를 본질적으로 표현할 수 있습니다. $n$개의 큐비트(qubit)를 사용하면 클래식 시뮬레이션을 제한하는 DRAM 메모리 용량에 구애받지 않고 $2^n$-차원 상태 공간을 인코딩할 수 있습니다. 이로 인해 양자 하드웨어는 CO₂ 레이저 내부의 이득(gain), 손실(loss), 에너지 전달 거동처럼 분리된 다체(many-body) 상호작용을 시뮬레이션하는 데 훨씬 더 적합한 구조를 갖습니다. 양자 장비가 발전함에 따라, 산업용 레이저 설계에 대한 더욱 정밀한 예측과 빠른 최적화를 가능하게 할 것입니다.
연구 목표 및 접근 방식
첫 번째 태스크포스의 주요 목표는 양자 하드웨어가 입자가 빛을 생성하고 증폭하는 과정을 지배하는 복잡한 양자 역학적 상호작용을 처리할 수 있는지 여부를 결정하는 것입니다. 파란호퍼 ILT는 반도체 장치 시뮬레이션 분야의 경험을 제공하며, 달렘 센터는 분자 충돌 동역학에 대한 전문 지식을 제공합니다.
이번 작업의 핵심 기술 과제는 이미 정립된 에너지 전달 거동에 대한 설명을 양자 알고리즘에 적합한 형태로 변환하는 것입니다. 트럼프프는 이러한 양자 알고리즘의 초기 버전을 개발하고 그 테스트를 주도하고 있습니다. 초기 연구 목표 중 하나는 CO₂ 레이저 증폭 메커니즘 전반을 다루는 일이며, 이 과정에서 에너지 이동이 다양한 분자 상태 사이에서 어떻게 발생하는지에 대한 정확한 예측은 광학 출력과 전체 시스템 성능을 최적화하는 데 결정적으로 중요합니다.
연구진들은 현재 시뮬레이션 방법론을 검토하고, 초기 양자 접근법들을 벤치마킹하여 어떤 부분에서 이점이 있을지 분석했습니다. 현재의 양자 컴퓨터는 본질적으로 프로토타입 수준이며 대규모 산업 워크로드에 필요한 견고함(robustness)이 부족합니다. 따라서 핵심은 향후 더 발전된 양자 머신이 등장했을 때 활용할 수 있는 전문 역량(know-how)을 구축하는 데 초점을 맞추고 있습니다. 여기에는 레이저-물리학 모델의 특정 부분이 기존 슈퍼컴퓨터보다 양자 하드웨어에서 더 효율적으로 실행될 수 있는지 검증하는 작업이 포함됩니다.
계획의 또 다른 축은 미시적 행동에 대한 심층적인 이해를 활용하여, 게인 매체(gain media)를 정교화하는 것부터 펌프 소스가 활성 물질과 상호작용하는 방식을 조정하는 것까지, 미래 레이저 설계 전반에 걸쳐 방향을 제시하는 것입니다. 더 정확한 예측은 궁극적으로 더 높은 성능, 줄어든 전력 소비, 또는 더 소형화된 장치로 이어질 수 있으며, 이는 트럼프프의 레이저가 사용되는 리소그래피 장비 등 실제 장치에 영향을 미칠 잠재력을 가지고 있습니다.
마지막으로, 트럼프프는 양자 알고리즘으로 구현되는 CO₂ 레이저 모델링의 발전이 레이저 기반 장치의 환경 영향을 낮추는 데 기여할 수 있다고 언급합니다. 다만, 본 연구가 초기 개발 단계에 있기 때문에, 양자 컴퓨팅이 CO₂ 레이저를 사용하는 장치에 미칠 실제 영향은 현재 시점에서는 아직 추론하기 어려운 수준입니다.
(Tom's Hardware 관련 홍보 문구는 전문적인 기술 보고서의 내용 흐름을 해치므로 생략함.)