Microgolfholte: het metalen kamertje dat kwantumbits helpt onthouden
Een microgolfholte is, letterlijk genomen, een klein gesloten kamertje van metaal — vaak niet groter dan een vingerhoed of een blikje — waarin microgolven (elektromagnetische straling met een golflengte van enkele centimeters tot millimeters) heen en weer kunnen kaatsen zonder te ontsnappen. Omdat de wanden de golven vrijwel perfect reflecteren, ontstaat er binnenin een staande golf: een trillingspatroon dat precies past bij de afmetingen van de holte, vergelijkbaar met de manier waarop een orgelpijp maar bepaalde toonhoogtes laat klinken. Alleen past de holte niet bij geluid, maar bij licht in het microgolfgebied.
Dat klinkt misschien als een obscuur onderdeeltje voor natuurkundigen, maar microgolfholtes spelen een sleutelrol in twee heel verschillende toekomsttechnologieën: kwantumcomputers en deeltjesversnellers. In een kwantumcomputer kan zo'n holte dienen als een uiterst stabiel 'geheugenkastje' voor een qubit — de kwantumversie van een bit — omdat de holte de kwetsbare kwantuminformatie afschermt van storende trillingen uit de omgeving. In een deeltjesversneller wordt een vergelijkbare holte juist gebruikt om deeltjes met microgolfenergie een duw te geven, zodat ze tot bijna de lichtsnelheid versnellen. Dit artikel richt zich vooral op de eerste toepassing, omdat die het meest relevant is voor de kwantumtechnologie waarover op deze site vaak wordt geschreven.
Wat is het precies?
Een microgolfholte bestaat meestal uit een blokje aluminium of een supergeleidend metaal zoals niobium, met daarin een uitgeholde ruimte. Microgolfstraling die in die ruimte wordt gestuurd, kaatst tegen de metalen wanden en vormt een resonantie: een golfpatroon dat zichzelf versterkt omdat het precies past bij de vorm van de holte, net zoals een zwembad water laat klotsen op een frequentie die bij zijn afmetingen hoort.
De kwaliteit van zo'n resonantie wordt uitgedrukt in de Q-factor (kwaliteitsfactor): een maat voor hoe lang een golf in de holte blijft rondzingen voordat de energie wegvloeit door verliezen in het materiaal. Hoe hoger de Q-factor, hoe minder energie er weglekt per trilling. Supergeleidende holtes, gekoeld tot temperaturen van rond de -273°C (vlakbij het absolute nulpunt), hebben vrijwel geen elektrische weerstand en behalen daardoor Q-factoren die miljoenen tot miljarden keren hoger liggen dan bij gewoon metaal op kamertemperatuur.
In de kwantumtechnologie wordt in die holte een enkel kwantumobject geplaatst, bijvoorbeeld een supergeleidend circuit dat zich als een kunstmatig atoom gedraagt. Dit circuit kan koppelen aan het microgolfveld in de holte: energie kan heen en weer worden uitgewisseld tussen het circuit en de holte, ongeveer zoals een stemvork een naburige snaar aan het trillen kan brengen. Deze wisselwerking heet cavity quantum electrodynamics, vaak afgekort tot cavity QED. Doordat de holte de kwantuminformatie letterlijk insluit en afschermt van elektromagnetische ruis van buitenaf, gedraagt het systeem zich veel stabieler dan een kwantumbit die in de open lucht zou hangen.
Een verdere verfijning is de zogeheten kat-qubit (cat qubit, genoemd naar Schrödingers kat). Hierbij wordt de kwantuminformatie niet opgeslagen in één enkel foton in de holte, maar verdeeld over een golfpatroon dat uit heel veel fotonen tegelijk bestaat. Dat maakt het systeem van nature ongevoelig voor één specifiek soort fout (bitflips), wat betekent dat er minder extra hardware nodig is om diezelfde fouten met foutcorrectie op te vangen.
Wat wil men ermee bereiken?
Het grootste obstakel voor bruikbare kwantumcomputers is niet het bouwen van qubits an sich, maar het foutvrij houden ervan. Qubits zijn extreem gevoelig voor storingen uit hun omgeving — trillingen, straling, temperatuurschommelingen — waardoor ze hun kwantumtoestand binnen microseconden tot milliseconden kunnen verliezen. Om dit op te lossen, combineren kwantumcomputers meestal veel fysieke qubits tot één foutbestendige 'logische' qubit, wat de hardware-eisen enorm opschroeft: sommige schattingen spreken van duizenden fysieke qubits per bruikbare logische qubit.
Het idee achter microgolfholtes als qubit-drager is dat één holte van nature al veel robuuster is dan een simpel supergeleidend circuit, en dat kat-qubits in zo'n holte bepaalde foutsoorten automatisch onderdrukken. Het doel is dus niet om holtes te gebruiken omdat het kan, maar om met minder fysieke hardware toch tot een bruikbare, foutbestendige logische qubit te komen — een aanpak die wel hardware-efficiënte kwantumfoutcorrectie wordt genoemd.
Daarnaast is er de meer klassieke toepassing in deeltjesversnellers: daar is het doel simpelweg om deeltjes met zo min mogelijk energieverlies te versnellen, wat supergeleidende microgolfholtes tot een efficiënter alternatief maakt dan oudere kopertechnologie.
Voorbeelden uit de praktijk
Een aantal concrete projecten laat zien hoe deze techniek zich heeft ontwikkeld:
- Yale University (2011): onderzoekers rond Robert Schoelkopf en Michel Devoret plaatsten een zogeheten transmon-qubit in een driedimensionale microgolfholte van aluminium in plaats van op een plat chipoppervlak. Deze '3D-transmon' liet een duidelijk langere coherentietijd zien (de tijd waarin de qubit zijn kwantuminformatie behoudt) dan eerdere platte ontwerpen, en werd een veelgebruikt uitgangspunt voor later onderzoek.
- Cat qubits, Yale en ENS Paris (halverwege jaren 2010): onderzoekers waaronder Zaki Leghtas en Mazyar Mirrahimi toonden aan dat je met microgolven een 'kat-toestand' in een holte kunt stabiliseren en actief in stand kunt houden, als basis voor een foutbestendigere qubit.
- Alice & Bob (opgericht in Parijs, 2020): deze Franse start-up, mede opgezet door onderzoekers met een achtergrond in het cat-qubit-onderzoek, bouwt kwantumprocessors waarin de qubits zijn gebaseerd op microgolfholtes met kat-toestanden, met als expliciet doel minder fysieke hardware nodig te hebben voor foutcorrectie.
- Quantum Circuits Inc. (Yale spin-off, opgericht rond 2015): opgericht door onder meer Devoret en Schoelkopf, werkt dit bedrijf aan kwantumhardware die voortbouwt op de cavity-QED-aanpak uit hun academische onderzoek.
- Supergeleidende versnellerholtes bij CERN en DESY: in deeltjesversnellers zoals bestaande en toekomstige onderdelen van de infrastructuur rond de Large Hadron Collider, en bij de European XFEL-röntgenlaser in Hamburg (gebouwd door DESY), worden holtes van zuiver niobium gebruikt, gekoeld tot ongeveer 2 kelvin (-271°C), om deeltjesbundels met microgolfenergie te versnellen.
Deze voorbeelden tonen twee sporen van dezelfde onderliggende natuurkunde: het ene gericht op het bewaren van kwantuminformatie, het andere op het efficiënt overdragen van energie aan deeltjes.
Hoe ver is de techniek?
Op het gebied van kwantumcomputing bevindt cavity-QED-technologie zich nog duidelijk in de onderzoeks- en vroege-opschalingsfase. Er zijn laboratoriumdemonstraties van enkele tot enkele tientallen holte-gebaseerde qubits die goed functioneren, maar de systemen die daadwerkelijk nuttige berekeningen uitvoeren en foutcorrectie op grote schaal toepassen, bestaan nog niet. De voortgang is de afgelopen tien jaar wel gestaag geweest: coherentietijden van holte-gebaseerde qubits zijn van microseconden naar (in sommige laboratoriumopstellingen) milliseconden gegroeid, en verschillende groepen hebben laten zien dat kat-qubits inderdaad specifieke foutsoorten sterk onderdrukken.
De belangrijkste technische obstakels zijn: het precies en reproduceerbaar fabriceren van holtes op de schaal die nodig is voor grotere systemen, het koppelen van meerdere holtes aan elkaar zonder extra ruis te introduceren, en het feit dat de hele opstelling in extreem koude cryostaten moet werken (doorgaans enkele tientallen millikelvin, dus vrijwel het absolute nulpunt), wat de bouw en het onderhoud kostbaar en complex maakt. Onafhankelijke experts zijn het erover eens dat dit een veelbelovend maar geenszins bewezen spoor is binnen de bredere zoektocht naar schaalbare kwantumcomputers, naast concurrerende benaderingen zoals platte supergeleidende chips (zoals bij Google en IBM), ionenvallen en fotonische qubits.
Bij deeltjesversnellers is de technologie van supergeleidende microgolfholtes juist allang volwassen en operationeel; daar gaat de ontwikkeling vooral over het verder verhogen van de bereikbare veldsterkte en het verlagen van de bouwkosten voor toekomstige, nog grotere versnellers.
Wie werken eraan?
In de Verenigde Staten is Yale University van oudsher een van de meest toonaangevende centra voor cavity-QED-onderzoek, met groepen rond Robert Schoelkopf, Michel Devoret en Steven Girvin die decennialang fundamenteel werk hebben geleverd. Vanuit dat onderzoek zijn spin-offs zoals Quantum Circuits Inc. ontstaan. Ook het Amazon-onderdeel AWS Center for Quantum Computing, onder leiding van natuurkundige Oskar Painter, doet actief onderzoek naar cat-qubits in microgolfholtes als route naar schaalbare, foutbestendige kwantumhardware.
In Frankrijk vormen onderzoeksgroepen aan ENS Paris-Saclay en de start-up Alice & Bob een belangrijk zwaartepunt, met een sterke nadruk op kat-qubits. Op het gebied van deeltjesversnellers zijn Europese onderzoeksinstituten zoals CERN (Zwitserland) en DESY (Duitsland) toonaangevend in de ontwikkeling en toepassing van supergeleidende niobiumholtes, vaak in samenwerking met Amerikaanse instituten als Fermilab en Jefferson Lab.
In Nederland richt QuTech in Delft — een samenwerking tussen de TU Delft en TNO — zich vooral op andere qubit-technologieën zoals supergeleidende chip-qubits en spinqubits; cavity-QED met 3D-microgolfholtes is daar minder het hoofdspoor, al wordt de onderliggende microgolf-meettechniek er wel breed toegepast.