Cryogene besturingselektronica: chips die werken op een paar graden boven het absolute nulpunt
Een kwantumcomputer bestaat uit meer dan alleen de qubits, de kwantumbits die de rekenkracht leveren. Om die qubits te laten werken is een heel systeem nodig dat signalen stuurt, uitleest en synchroniseert: de besturingselektronica. Bij de meeste kwantumcomputers van dit moment staat die elektronica gewoon op kamertemperatuur, in kasten vol apparatuur naast de koelmachine. Cryogene besturingselektronica is besturingselektronica die juist wél in de kou wordt geplaatst, vlak bij de qubits zelf, op temperaturen van enkele kelvin boven het absolute nulpunt.
Vergelijk het met een orkest dat in een extreem stille, ijskoude kluis moet spelen terwijl de dirigent in een warme kamer daarbuiten zit. Nu loopt er voor elke muzikant een aparte kabel van de dirigent naar de kluis: dat werkt voor tien man, maar wordt onhandelbaar bij duizend. Cryogene besturingselektronica is het idee om een deel van de dirigent zelf mee de kluis in te nemen, in de vorm van een chip die tegen de kou bestand is, zodat er veel minder kabels de grens tussen warm en koud hoeven te kruisen.
Wat is het precies?
Veel veelbelovende kwantumcomputers gebruiken supergeleidende qubits: piepkleine elektrische circuits die alleen kwantumgedrag vertonen als ze extreem koud zijn, meestal tussen de 10 en 20 millikelvin. Dat is honderden keren kouder dan de diepste ruimte. Om die temperatuur te bereiken gebruikt men een zogeheten dilution refrigerator, een mengkoelkast met meerdere trappen die van kamertemperatuur stapsgewijs afkoelt, met tussenstations op bijvoorbeeld 4 kelvin en uiteindelijk de millikelvin-trap onderin.
In de klassieke opzet loopt er voor elke qubit een eigen bekabelde verbinding, vaak coaxkabel, helemaal van kamertemperatuur tot aan de chip onderin de koelkast. Die kabels moeten zorgvuldig zijn ontworpen: ze mogen geen warmte naar binnen leiden, want dat verstoort de kou, maar moeten wel signalen met hoge precisie doorgeven. Bij tientallen qubits is dat te doen. Bij honderden of duizenden qubits wordt het een fysiek probleem: er past simpelweg niet genoeg bekabeling door de nauwe doorvoeren van de koelkast, en elke kabel voert ongewenst een beetje warmte mee naar binnen.
De oplossing die onderzoekers verkennen is om de besturingselektronica dichter bij de qubits te plaatsen, meestal op de 4 kelvin-trap. Daar is nog relatief veel koelvermogen beschikbaar (in de orde van watts), in tegenstelling tot de millikelvin-trap waar slechts microwatts tot een paar milliwatts aan warmte-afvoer beschikbaar zijn voordat de temperatuur oploopt. Eén chip op 4 kelvin kan dan met een paar kabels naar boven én een paar korte, kortere verbindingen naar de qubits eronder, in plaats van honderden lange kabels helemaal van kamertemperatuur.
Het probleem is dat gewone elektronica niet zomaar bij 4 kelvin werkt. Transistoren in standaard chips, gemaakt met de gangbare CMOS-techniek (complementary metal-oxide-semiconductor, de basistechnologie achter vrijwel alle moderne chips), gedragen zich bij zulke temperaturen anders dan bij kamertemperatuur: stroom-spanningskarakteristieken verschuiven, sommige parameters verbeteren juist, andere modellen die chipontwerpers gebruiken kloppen niet meer. Onderzoekers moeten daarom eerst uitzoeken hoe transistoren zich bij 4 kelvin gedragen en vervolgens chips ontwerpen die daar rekening mee houden. Dit vakgebied heet cryo-CMOS.
Een tweede, fundamenteel ander spoor gebruikt geen gewone transistoren maar supergeleidende schakelingen, met zogeheten Single Flux Quantum-logica (SFQ). Dat zijn circuits die zelf ook bij zeer lage temperaturen werken en daardoor in theorie nog dichter bij de qubits geplaatst kunnen worden, tot op de millikelvin-trap zelf, met extreem laag energieverbruik per schakeling. De uitdaging hier is vooral dat deze logica anders werkt dan de digitale chips waarmee de industrie gewend is te ontwerpen, wat het lastiger maakt om er complexe besturingssystemen mee te bouwen.
Wat wil men ermee bereiken?
Het hoofddoel is opschalen: kwantumcomputers met honderdduizenden of miljoenen qubits bouwen zonder dat de bekabeling het project onmogelijk maakt. Voor foutgecorrigeerde kwantumcomputers, die veel meer fysieke qubits nodig hebben dan de handvol logische qubits waarmee ze uiteindelijk rekenen, wordt dit wiring bottleneck genoemd: het bekabelingsprobleem dreigt de beperkende factor te worden, niet de qubits zelf.
Daarnaast speelt warmtebeheer een grote rol. Elke kabel en elk signaal dat van kamertemperatuur naar de kou gaat, voert onvermijdelijk wat warmte mee. Hoe meer qubits, hoe meer verbindingen, hoe groter de warmtelast, terwijl juist de laagste temperatuurtrappen van een koelkast het minste vermogen aankunnen. Cryogene besturingselektronica probeert deze warmtelast te verminderen door signalen dichter bij de bron te genereren en te multiplexen, dat wil zeggen: meerdere signalen slim over minder kabels combineren.
Ten slotte is er de kostenkant. Elke doorvoer, elke kabel en elke connector in een grote koelkast kost geld en ruimte. Compactere, geïntegreerde besturing kan kwantumsystemen op termijn goedkoper en makkelijker te bouwen en te onderhouden maken.
Voorbeelden uit de praktijk
Intel presenteerde in 2019 Horse Ridge, een cryogene besturingschip bedoeld om op de 4 kelvin-trap meerdere qubits tegelijk aan te sturen met radiofrequente signalen, waarmee het aantal kabels dat de koudste zones van de koelkast in moet aanzienlijk kleiner wordt. In 2020 volgde een tweede versie, Horse Ridge II, met uitgebreidere functionaliteit, waaronder het uitlezen van qubits vanaf dezelfde koude trap.
QuTech, het kwantumonderzoeksinstituut van de TU Delft en TNO, werkt via onderzoeksgroepen op het gebied van cryo-elektronica al jaren aan prototype-chips die bij 4 kelvin of kouder kunnen functioneren, met publicaties op toonaangevende chipconferenties. Dit Nederlandse onderzoek richt zich zowel op de fundamentele karakterisering van transistoren bij lage temperatuur als op complete besturingscircuits.
SeeQC, een Amerikaans bedrijf dat is voortgekomen uit het supergeleidende-elektronicabedrijf Hypres, ontwikkelt digitale besturingschips op basis van Single Flux Quantum-logica, met als doel besturingselektronica dichter bij de qubits zelf te brengen dan met cryo-CMOS mogelijk is.
Google Quantum AI en IBM Quantum onderzoeken beide, naast hun werk aan de qubits zelf, hoe klassieke besturingselektronica dichter bij hun supergeleidende chips geïntegreerd kan worden, als onderdeel van hun langetermijnplannen om naar veel grotere aantallen qubits te groeien.
Een verwant spoor is het werk van onderzoekers zoals de groep van Andrew Dzurak (destijds UNSW, Australië) aan zogeheten hot qubits: siliciumqubits die bij ongeveer 1 kelvin kunnen functioneren in plaats van bij millikelvin-temperaturen. Dat maakt het makkelijker om besturingselektronica in de directe nabijheid te plaatsen, omdat er op 1 kelvin aanzienlijk meer koelvermogen beschikbaar is dan op de millikelvin-trap.
Hoe ver is de techniek?
Cryogene besturingselektronica bevindt zich grotendeels in de onderzoeks- en prototypefase. Er bestaan werkende chips die aantoonbaar qubits kunnen aansturen op 4 kelvin, maar de meeste kwantumcomputers die vandaag operationeel zijn, gebruiken nog overwegend kamertemperatuur-elektronica met bekabeling die helemaal doorloopt tot aan de qubitchip. De omschakeling naar cryogene besturing gebeurt geleidelijk en per onderdeel, niet in één keer voor een heel systeem.
De belangrijkste technische obstakels zijn het beperkte energiebudget op de koude trappen, de noodzaak om chipontwerpmodellen opnieuw te valideren voor lage temperaturen, mogelijke ruis en overspraak tussen dicht opeengepakte signalen, en de praktische moeilijkheid om zulke chips uitgebreid te testen: metingen bij millikelvin-temperaturen zijn traag en duur, omdat elke koelcyclus van een dilution refrigerator uren tot dagen kan duren.
Tegelijk groeit de druk om dit probleem op te lossen, simpelweg omdat het aantal qubits in onderzoekssystemen de afgelopen jaren gestaag is toegenomen. Naarmate dat aantal verder oploopt, wordt bekabeling überhaupt steeds minder houdbaar als oplossing, wat de motivatie voor cryo-CMOS en SFQ-besturing versterkt. Een harde tijdlijn voor wanneer cryogene besturing de norm wordt, is er niet; experts noemen dit doorgaans een kwestie van verdere, geleidelijke ontwikkeling over meerdere jaren, gekoppeld aan hoe snel het aantal qubits in praktische systemen daadwerkelijk groeit.
Wie werken eraan?
Op bedrijfsniveau zijn Intel, Google, IBM en Microsoft de bekendste namen die onderzoek doen naar cryogene of nabij-cryogene besturingselektronica als onderdeel van hun bredere kwantumcomputingprogramma's. Daarnaast is SeeQC een gespecialiseerde speler die zich volledig richt op supergeleidende, SFQ-gebaseerde besturingselektronica.
Op onderzoeksinstituutniveau speelt QuTech in Delft een prominente rol binnen dit veld, als samenwerking tussen de TU Delft en TNO, met internationaal aangehaalde publicaties over cryo-CMOS-ontwerp. Ook het Belgische onderzoekscentrum imec doet, samen met partners, karakterisatie van chipprocessen bij lage temperaturen, wat essentieel is om te weten hoe transistoren zich in de kou gedragen voordat je er een besturingschip mee ontwerpt.
Verder zijn universitaire groepen wereldwijd actief, onder meer in Australië (UNSW), de Verenigde Staten en Japan, elk met hun eigen combinatie van qubittechnologie en bijbehorende cryogene elektronica. Het veld is relatief klein en sterk multidisciplinair: het vereist zowel diepgaande kennis van chipontwerp als van lagetemperatuurfysica, wat samenwerking tussen chipbedrijven, universiteiten en gespecialiseerde onderzoeksinstituten bijzonder belangrijk maakt.