Josephson-junctie: de kwantumschakelaar achter supergeleidende chips

Bijgewerkt: 5 augustus 2026 · 6 min leestijd

Stel je twee zwembaden voor die door een muurtje van elkaar gescheiden zijn. Normaal gesproken houdt zo'n muurtje het water tegen. Maar als het muurtje dun genoeg is en het water zich als een kwantumverschijnsel gedraagt, kan er toch iets doorheen sijpelen zonder dat er een gat in zit. Zoiets gebeurt in een Josephson-junctie: twee supergeleidende materialen die door een flinterdunne isolerende laag van elkaar gescheiden zijn, waar toch stroom doorheen kan lopen zonder enige elektrische weerstand.

Een Josephson-junctie is geen alledaags onderdeel dat je in een telefoon of laptop vindt. Het is een bouwsteen die alleen werkt bij extreem lage temperaturen, vlakbij het absolute nulpunt, en die de basis vormt voor enkele van de gevoeligste meetinstrumenten en veelbelovende kwantumcomputers ter wereld. Het is een klein onderdeel met grote gevolgen: van de definitie van de volt tot de rekenkern van machines die Google en IBM bouwen.

Wat is het precies?

Een supergeleider is een materiaal dat, wanneer het voldoende wordt afgekoeld, elektrische stroom geleidt zonder enige weerstand. Dat lukt omdat elektronen zich daarin paren vormen, de zogeheten Cooper-paren, die zich als een geheel door het materiaal bewegen zonder energie te verliezen aan botsingen.

Een Josephson-junctie bestaat uit twee van zulke supergeleiders die gescheiden zijn door een extreem dunne barrière: meestal een isolerende laag van slechts enkele atomen dik, soms ook een gewoon (niet-supergeleidend) metaal of een smal ingesnoerd stukje supergeleider. Normaal gesproken zou zo'n barrière elke stroom blokkeren. Maar dankzij een kwantummechanisch effect dat tunnelen heet, kunnen Cooper-paren toch door de barrière heen "lekken" zonder hun energie te verliezen.

De Britse natuurkundige Brian Josephson voorspelde dit verschijnsel in 1962, als 22-jarige promovendus. Hij liet zien dat er twee bijzondere effecten optreden. Bij het zogeheten DC-Josephson-effect loopt er een zwakke stroom door de junctie zonder dat er enige spanning over staat, puur gedreven door een kwantummechanisch faseverschil tussen de twee supergeleiders. Bij het AC-Josephson-effect gebeurt er iets nog vreemders: zodra je wél een kleine spanning over de junctie zet, gaat er een wisselstroom lopen met een frequentie die exact evenredig is met die spanning, volgens de formule f = 2eV/h (met e de lading van het elektron, V de spanning en h de constante van Planck). Voor zijn voorspelling kreeg Josephson in 1973 de Nobelprijs voor de Natuurkunde.

Deze wiskundige nauwkeurigheid maakt Josephson-juncties bijzonder: de relatie tussen spanning en frequentie hangt alleen af van natuurconstanten, niet van het gebruikte materiaal of de precieze afmetingen. Dat maakt ze uitzonderlijk geschikt als meetstandaard, en de niet-lineaire, kwantummechanische manier waarop ze stroom geleiden maakt ze ook bruikbaar als schakelelement in kwantumcircuits.

Wat wil men ermee bereiken?

Onderzoekers gebruiken Josephson-juncties voor uiteenlopende doelen, die met elkaar gemeen hebben dat ze profiteren van de extreme precisie en de kwantumgedrag van het effect.

Het eerste grote toepassingsgebied is metrologie, de wetenschap van het nauwkeurig meten. Omdat de relatie tussen spanning en frequentie bij een Josephson-junctie zo exact vastligt, gebruiken nationale meetinstituten arrays van duizenden juncties als spanningsstandaard: een manier om de volt tot op extreme precisie te definiëren en te reproduceren, zonder afhankelijk te zijn van een fysiek referentie-object.

Een tweede toepassing is uiterst gevoelige magnetische sensoren, de zogeheten SQUID's (Superconducting Quantum Interference Device). Deze bestaan uit een lusje supergeleidend materiaal met een of twee Josephson-juncties erin en kunnen extreem kleine magnetische velden detecteren, veel kleiner dan wat met conventionele sensoren mogelijk is.

De derde en momenteel meest besproken toepassing is kwantumcomputing. Een Josephson-junctie kan dienstdoen als de kern van een supergeleidende qubit, de basiseenheid van informatie in een kwantumcomputer. Het populairste ontwerp heet de transmon-qubit, waarin een Josephson-junctie samen met condensatoren een kunstmatig "atoom" vormt met discrete energieniveaus die als kwantumbit kunnen fungeren. Daarnaast wordt gewerkt aan zogeheten RSFQ-logica (Rapid Single Flux Quantum), een vorm van klassieke digitale elektronica op basis van Josephson-juncties die in theorie veel sneller en energiezuiniger zou kunnen zijn dan conventionele chips.

Voorbeelden uit de praktijk

De Josephson-spanningsstandaard wordt al sinds de jaren tachtig gebruikt door metrologie-instituten wereldwijd, waaronder het Amerikaanse NIST (National Institute of Standards and Technology) en het Duitse PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt). Beide instituten onderhouden arrays met tienduizenden in serie geschakelde Josephson-juncties om de volt tot in extreme precisie te reproduceren.

SQUID-magnetometers op basis van Josephson-juncties worden al decennialang commercieel toegepast, onder meer in magneto-encefalografie (MEG), een medische scantechniek waarmee de zeer zwakke magnetische signalen van hersenactiviteit worden gemeten.

In de kwantumcomputing bouwde Google in 2019 de processor Sycamore, met 53 supergeleidende transmon-qubits, waarmee het bedrijf claimde een rekentaak te hebben uitgevoerd die voor klassieke supercomputers onhaalbaar zou zijn, een resultaat dat destijds veel discussie opriep over de precieze betekenis ervan. IBM bouwt via zijn IBM Quantum-programma eveneens grote supergeleidende processoren met Josephson-junctie-qubits, waaronder chips met honderden qubits.

D-Wave Systems, een Canadees bedrijf, gebruikt Josephson-juncties in een ander soort machine: een kwantumannealer, een gespecialiseerd systeem gericht op optimalisatievraagstukken in plaats van universele kwantumberekeningen. D-Wave verkoopt dergelijke systemen al sinds het einde van de jaren 2000 aan onderzoeksinstellingen en bedrijven.

Hoe ver is de techniek?

De volwassenheid van Josephson-junctie-technologie verschilt sterk per toepassing. De spanningsstandaard en SQUID-sensoren zijn decennia oud, technisch uitontwikkeld en worden op commerciële schaal gebruikt in laboratoria, ziekenhuizen en meetinstituten. Hier is weinig fundamentele onzekerheid meer; het is gevestigde techniek.

Kwantumcomputing met Josephson-junctie-qubits bevindt zich in een veel vroeger stadium. De sector zit momenteel in wat wel het NISQ-tijdperk wordt genoemd (Noisy Intermediate-Scale Quantum): machines met honderden tot enkele duizenden qubits, die nog gevoelig zijn voor storingen en fouten. Qubits op basis van Josephson-juncties verliezen hun kwantumtoestand na relatief korte tijd, de zogeheten coherentietijd, die weliswaar de afgelopen jaren flink is verbeterd maar nog altijd een fundamentele beperking vormt.

Een groot obstakel is foutcorrectie: om betrouwbare berekeningen te doen zijn vermoedelijk duizenden tot miljoenen fysieke qubits nodig om één stabiele, foutgecorrigeerde "logische" qubit te vormen. Onderzoekers boeken hierin gestage vooruitgang, maar een kwantumcomputer die praktische problemen beter oplost dan elke klassieke computer, op een breed en nuttig toepassingsgebied, bestaat op dit moment nog niet. Ook RSFQ-logica voor klassiek rekenen is decennialang onderzocht, maar heeft de doorbraak naar praktische, commercieel concurrerende chips nog niet gemaakt, onder meer vanwege de complexiteit van koeling en bedrading bij grote schaal.

Wie werken eraan?

Op het gebied van kwantumcomputing met Josephson-juncties investeren vooral IBM en Google zwaar, met eigen onderzoekslijnen en publiek toegankelijke kwantumprocessoren. Ook Rigetti Computing, een Amerikaans bedrijf, ontwikkelt supergeleidende qubit-chips. D-Wave Systems richt zich specifiek op kwantumannealing met dezelfde onderliggende technologie.

In Nederland is QuTech, een samenwerking tussen de TU Delft en TNO, een van de vooraanstaande onderzoeksinstituten op het gebied van supergeleidende en andere kwantumtechnologieën. In de Verenigde Staten speelt daarnaast het MIT Lincoln Laboratory een rol in fundamenteel onderzoek naar supergeleidende schakelingen.

Op het gebied van metrologie zijn NIST (Verenigde Staten) en PTB (Duitsland) de belangrijkste instituten die Josephson-junctie-arrays gebruiken en doorontwikkelen voor spanningsstandaarden, vaak in samenwerking met andere nationale meetinstituten wereldwijd. Ook Japan, met onderzoekers verbonden aan instituten als RIKEN, en China, onder meer via de University of Science and Technology of China (USTC), investeren fors in supergeleidende kwantumtechnologie, wat het onderzoeksveld een sterk internationaal en competitief karakter geeft.