TRUMPF porta la simulazione laser nel dominio dei computer quantistici
L’azienda high-tech TRUMPF, il Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT e il Dahlem Center for Complex Quantum Systems della Freie Universität Berlin stanno lavorando a un progetto congiunto per capire come modellare i sistemi laser industriali con l’aiuto dei computer quantistici. L’attenzione è rivolta in particolare ai laser a CO₂ e ai laser a semiconduttore, gli stessi tipi di sorgente che alimentano molte applicazioni di stampa 3D su letto di polvere metallica e di lavorazione di polimeri. L’obiettivo dichiarato è accelerare lo sviluppo di nuove sorgenti laser per il 3D printing e aumentare l’efficienza energetica degli impianti.
Il progetto QuaSiLaMa: partner, tempi e budget
L’iniziativa rientra nel progetto collaborativo QuaSiLaMa – “Quantensimulation von Laser-aktiven Materialien”, inserito nel programma tedesco “Forschungsprogramm Quantensysteme” e finanziato nell’ambito della misura “Anwendungsorientierte Quanteninformatik”. Il progetto ha un volume complessivo di circa 2,4 milioni di euro, di cui il 74,4% finanziato dal Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), con una durata prevista dal 1° gennaio 2025 al 31 dicembre 2027. I partner coinvolti sono TRUMPF SE + Co. KG, TRUMPF Lasersystems for Semiconductor Manufacturing SE, la Freie Universität Berlin e il Fraunhofer ILT, con TRUMPF nel ruolo di coordinatore e la partecipazione associata di TRUMPF Photonic Components GmbH.
Perché servono algoritmi quantistici per simulare i laser industriali
La prestazione dei laser industriali dipende da fenomeni fisici intrinsecamente quantomeccanici, come le transizioni tra livelli energetici nelle molecole del gas CO₂ o nelle strutture dei semiconduttori. TRUMPF utilizza già supercomputer convenzionali per simulare l’interazione tra fotoni, mezzi attivi e risonatori ottici, ma oltre una certa complessità i metodi numerici classici diventano poco efficienti. Gli algoritmi quantistici promessi da QuaSiLaMa puntano a rappresentare direttamente questi processi quantistici, con l’obiettivo di prevedere in modo più accurato coefficiente di guadagno, qualità del fascio e stabilità spettrale, parametri che influenzano in modo decisivo la dinamica del bagno fuso, la formazione di porosità e le tensioni residue nei componenti stampati in 3D.
CO₂ e VCSEL: le sorgenti chiave per la manifattura additiva
Nel progetto vengono analizzati in dettaglio laser a CO₂ e VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers). I primi sono un riferimento consolidato nella lavorazione di materiali e in alcuni processi di produzione di semiconduttori, mentre i secondi sono sorgenti compatte a semiconduttore con ruoli crescenti sia nella fotonica classica sia in ambito quantistico. Le simulazioni quantistiche di QuaSiLaMa mirano a descrivere con maggiore precisione urti molecolari e “film quantistici” all’interno del mezzo attivo, così da tradurre i risultati direttamente nella metodologia di sviluppo per CO₂-laser e VCSEL destinati alla produzione industriale.
Dal modello alla macchina: integrazione nelle piattaforme TRUMPF
Una volta validati, gli algoritmi quantistici sviluppati nel progetto dovranno essere integrati negli strumenti software già in uso. Secondo la documentazione, TRUMPF intende trasferire i risultati nelle proprie famiglie di prodotti CO₂-laser e VCSEL, mentre Fraunhofer ILT lavorerà all’integrazione delle nuove routine quantistiche nei codici di simulazione esistenti. La Freie Universität Berlin punta a utilizzare le conoscenze acquisite come base per ulteriori sviluppi alla frontiera tra fisica molecolare e informazione quantistica, con la prospettiva di applicare lo stesso approccio ad altri sistemi fotonici complessi.
Impatto sul 3D printing: stabilità del fascio e qualità del bagno fuso
Nel contesto della stampa 3D metallica a letto di polvere e delle applicazioni polimeriche, la qualità del fascio laser influenza direttamente la geometria del bagno fuso, la formazione di difetti interni e il livello di tensioni residue nel componente. Una simulazione più accurata dei processi di generazione e amplificazione del fascio, supportata da computer quantistici, può portare a sorgenti meglio ottimizzate rispetto a criteri come stabilità temporale, profilo di intensità e coerenza spettrale. Questo si traduce potenzialmente in strategie di scansione più aggressive, spessori di strato più spinti e maggiore prevedibilità del comportamento meccanico dei pezzi, con benefici per settori come aerospazio, energia, automotive e produzione di semiconduttori.
Un tassello nella strategia quantistica e fotonica di TRUMPF
Il progetto QuaSiLaMa si inserisce in una strategia più ampia con cui TRUMPF esplora le tecnologie quantistiche, sia attraverso il proprio portafoglio laser classico, sia tramite iniziative dedicate, come la controllata Q.ANT, che sviluppa sorgenti fotoniche per sensori quantistici e altre applicazioni avanzate. L’impegno nel programma BMBF per la quanteninformatik applicata conferma l’intenzione di costruire competenze interne su algoritmi quantistici e architetture hardware, in modo da sfruttarli non appena i computer quantistici di grande scala diventeranno utilizzabili in contesti industriali.
Prospettive: dalla ricerca alla produzione in serie
Durante la finestra temporale 2025–2027, il consorzio dovrà dimostrare che gli algoritmi quantistici studiati possono superare o affiancare i metodi classici nella simulazione di molecole e film quantistici rilevanti per i laser industriali. In caso di successo, la metodologia sviluppata in QuaSiLaMa potrà fungere da modello per altre applicazioni in cui la fotonica si intreccia con la computazione quantistica, dal controllo dei processi di saldatura laser alla produzione di componenti per computer quantistici basati su fotoni. Per la manifattura additiva, ciò significa percorsi più chiari verso laser più efficienti, processi più robusti e minori costi energetici per parte lungo l’intero ciclo di vita delle macchine.
