Millikelvin: de extreme kou die kwantumtechnologie mogelijk maakt
Een millikelvin is een duizendste van een kelvin, de eenheid waarin natuurkundigen temperatuur meten vanaf het absolute nulpunt. Dat nulpunt, 0 kelvin oftewel -273,15 graden Celsius, is de laagst denkbare temperatuur: het punt waarop atomen theoretisch helemaal stilstaan. Een millikelvin zit dus maar een fractie boven die grens, meestal geschreven als iets als "15 mK". Ter vergelijking: de kou van de Zuidpool in de winter, zo'n -60 graden Celsius, is nog altijd ruim 200 graden warmer dan één kelvin, laat staan één millikelvin.
Waarom zou je zoiets extreems willen maken? Omdat warmte in feite chaotische beweging is, en die beweging verstoort de heel gevoelige processen die natuurkundigen en technologiebedrijven willen bestuderen of gebruiken. Denk aan een fluistering die je alleen kunt horen in een volkomen stille ruimte: bij kamertemperatuur "schreeuwen" atomen en elektronen zo hard door hun trillingen dat subtiele kwantumeffecten volledig worden overstemd. Door apparatuur af te koelen tot in de millikelvin-range wordt die achtergrondruis vrijwel weggenomen, waardoor onder meer kwantumcomputers, uiterst gevoelige detectoren en fundamenteel natuurkundig onderzoek pas goed mogelijk worden.
Wat is het precies?
Millikelvin op zich is geen techniek maar een temperatuurschaal. De techniek zit in de manier waarop je iets zo koud krijgt. Gewone koelkasten en zelfs de koudste vriezers komen niet verder dan enkele tientallen graden onder nul op de Celsius-schaal, oftewel ruim 200 kelvin. Om naar millikelvin te zakken zijn meerdere koeltrappen nodig die elkaar opvolgen, elk met een eigen techniek.
De eerste stap is meestal vloeibaar helium, dat bij normale druk kookt bij ongeveer 4,2 kelvin. Door de damp boven het vloeibare helium weg te pompen, daalt de temperatuur verder tot ongeveer 1 kelvin. Voor de laatste, grootste stap naar millikelvin-niveau gebruiken onderzoekers meestal een zogeheten verdunningskoelkast (dilution refrigerator). Dat apparaat maakt gebruik van een mengsel van twee soorten helium, helium-3 en helium-4, die bij extreem lage temperaturen niet meer volledig mengen maar in twee lagen uiteenvallen, ongeveer zoals olie en water. Het overhevelen van helium-3-atomen van de ene laag naar de andere kost energie, die aan de omgeving wordt onttrokken. Dat proces herhaalt zich continu en kan temperaturen van 10 tot 20 millikelvin bereiken, en met extra moeite zelfs lager.
Voor nog lagere temperaturen, in het microkelvin- of nanokelvin-gebied, bestaan aanvullende technieken zoals adiabatische demagnetisatie (het gecontroleerd uitschakelen van een magnetisch veld rond een materiaal) en laserkoeling, waarbij laserlicht de beweging van individuele atomen afremt. Die technieken vallen buiten het millikelvin-domein zelf, maar bouwen er vaak op voort als extra, fijnere koeltrap.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is het onderdrukken van thermische ruis. Elektronen en atomen bewegen door warmte willekeurig, en die willekeurige beweging kan de heel fragiele kwantumtoestanden verstoren waarop bijvoorbeeld kwantumcomputers draaien. De kwantumbits (qubits) in de meest gangbare kwantumcomputers, gebaseerd op supergeleidende circuits, functioneren alleen betrouwbaar als de omgevingstemperatuur ruim onder de energie ligt die nodig is om de qubit per ongeluk van toestand te laten wisselen. Dat vereist temperaturen in de tientallen millikelvin.
Millikelvin-koeling is daarnaast onmisbaar voor supergeleiding: veel materialen geleiden elektriciteit pas zonder weerstand bij temperaturen dicht bij het absolute nulpunt. Supergeleidende circuits worden niet alleen gebruikt in kwantumcomputers, maar ook in extreem gevoelige detectoren voor licht, straling en zelfs gravitatiegolven, waar elk beetje thermische ruis het signaal kan overstemmen.
Een derde reden is fundamenteel onderzoek: bij temperaturen dicht bij het absolute nulpunt gedragen materialen zich soms compleet anders dan bij kamertemperatuur, en ontstaan nieuwe kwantumfasen van materie die bij hogere temperaturen onmogelijk zijn waar te nemen. Dat maakt millikelvin-omgevingen tot een soort natuurkundig laboratorium waarin verborgen eigenschappen van materie zichtbaar worden.
Voorbeelden uit de praktijk
Leiden, 1908 en 1911 - De basis voor dit hele vakgebied werd gelegd in Leiden. Heike Kamerlingh Onnes slaagde er in 1908 als eerste in om helium vloeibaar te maken, waarmee hij temperaturen van enkele kelvin bereikbaar maakte. In 1911 ontdekte hij met die apparatuur supergeleiding in kwik, een vondst waarvoor hij later de Nobelprijs kreeg. Leiden bleef decennia lang een centrum voor laagtemperatuuronderzoek.
Ontwikkeling van de verdunningskoelkast, jaren zestig - Het principe van de verdunningskoelkast werd in 1951 theoretisch voorgesteld door de natuurkundige Heinz London. Begin jaren zestig bouwden onderzoekers, onder wie een groep in Leiden, de eerste werkende versies. Deze apparaten vormen tot op de dag van vandaag de industriestandaard om routinematig millikelvin-temperaturen te bereiken.
IBM Quantum en Google Quantum AI - De supergeleidende kwantumprocessoren van bedrijven als IBM en Google, waaronder Google's Sycamore-chip waarmee in 2019 een veelbesproken "kwantumsuprematie"-experiment werd uitgevoerd, draaien in verdunningskoelkasten op temperaturen van rond de 10 tot 20 millikelvin, ruim kouder dan de lege ruimte tussen sterren.
QuTech in Delft - Het Nederlandse onderzoeksinstituut QuTech, een samenwerking tussen de TU Delft en TNO, ontwikkelt zowel supergeleidende als op elektronenspin gebaseerde qubits en maakt daarbij intensief gebruik van millikelvin-koeltechniek. Delft is daarmee een van de plekken waar Nederland internationaal meedraait in de kwantumtechnologie.
Detectie van deeltjes en donkere materie - Experimenten die op zoek zijn naar zeldzame deeltjesbotsingen, zoals die van mogelijke donkere materie, gebruiken bolometers: uiterst gevoelige warmtesensoren die de piepkleine temperatuurstijging meten na een botsing met een deeltje. Om dat te kunnen meten, moeten de detectoren zelf op millikelvin-temperaturen worden gehouden, zodat de eigen thermische ruis het signaal niet overstemt. Voorbeelden van dergelijke experimenten bevinden zich onder meer in ondergrondse laboratoria in Europa.
Hoe ver is de techniek?
Millikelvin-koeling zelf is inmiddels een volwassen, commercieel verkrijgbare technologie. Verdunningskoelkasten zijn geen exotische laboratoriumopstellingen meer, maar kant-en-klare systemen die bedrijven bij gespecialiseerde fabrikanten kunnen bestellen. Het routinematig bereiken van 10 tot 20 millikelvin is voor de meeste toepassingen geen bottleneck meer.
De echte uitdaging zit tegenwoordig niet in de kou zelf, maar in het opschalen. Elke qubit in een kwantumcomputer heeft doorgaans eigen bekabeling nodig die van kamertemperatuur naar de millikelvin-trap loopt, en elke draad die naar binnen gaat, brengt ook een klein beetje warmte mee. Naarmate kwantumcomputers meer qubits krijgen, wordt het steeds lastiger om al die bekabeling binnen de beperkte koelcapaciteit van een verdunningskoelkast te houden. Dit staat bekend als het "bedradingsprobleem" en is een van de belangrijkste obstakels op weg naar grotere, praktisch bruikbare kwantumcomputers.
Om dit te omzeilen wordt onder meer onderzoek gedaan naar besturingselektronica en zelfs qubit-ontwerpen die bij iets hogere temperaturen, rond 1 kelvin in plaats van millikelvin, nog werken. Dat zou de cryogene engineering aanzienlijk vereenvoudigen, al gaat dit vaak ten koste van andere prestatie-eisen. Dit onderzoek bevindt zich nog in een experimentele fase en heeft de gevestigde millikelvin-aanpak nog niet vervangen.
Wie werken eraan?
Op het gebied van kwantumcomputing zijn IBM, Google Quantum AI, Intel en het Canadese-Amerikaanse bedrijf Rigetti Computing bekende namen die zwaar leunen op millikelvin-koeltechniek voor hun supergeleidende processoren. In Nederland is QuTech (TU Delft/TNO) de belangrijkste speler, met een sterke traditie die teruggaat op het historische laagtemperatuuronderzoek van de Universiteit Leiden.
De koelapparatuur zelf komt doorgaans van gespecialiseerde fabrikanten. Het Finse bedrijf Bluefors en het Britse Oxford Instruments behoren tot de grootste leveranciers van verdunningskoelkasten wereldwijd, en hun apparatuur staat inmiddels in laboratoria en datacenters over de hele wereld.
Op het vlak van fundamenteel onderzoek en metrologie spelen nationale meetinstituten zoals het Amerikaanse NIST (National Institute of Standards and Technology) een rol, evenals grote onderzoeksinstellingen in Duitsland (onder meer diverse Max Planck-instituten), Japan en het Verenigd Koninkrijk. Ook Europese samenwerkingsverbanden en ondergrondse laboratoria die deeltjesfysica-experimenten huisvesten, maken gebruik van millikelvin-technologie voor hun detectoren.