Quantum System-in-Package: qubits en chips onder één dak

Bijgewerkt: 8 september 2026 · 6 min leestijd

Stel je een smartphone voor. Binnenin zit geen los kastje voor de processor, een ander voor het geheugen en weer een ander voor de sensoren: alles is samengeperst in één klein, plat pakketje op de printplaat. Die aanpak heet in de chipindustrie System-in-Package (SiP): meerdere chips en onderdelen worden dicht bij elkaar in één behuizing gebouwd, in plaats van los met kabels te worden verbonden. Een Quantum System-in-Package (QSiP) probeert hetzelfde te doen voor quantumcomputers: de extreem gevoelige qubits (de quantumversie van een bit) en de elektronica die ze aanstuurt en uitleest, dicht bij elkaar in één pakket onderbrengen.

Dat klinkt eenvoudig, maar is het niet. Qubits werken meestal alleen bij temperaturen vlakbij het absolute nulpunt, terwijl gewone besturingschips juist warmte afgeven en bij kamertemperatuur zijn ontworpen. Vandaar dat onderzoekers nu speciale, koude versies van besturingschips ontwikkelen die wél naast de qubits in de koelkast kunnen zitten. Slaagt dat, dan hoeven er veel minder kabels van de koude qubitchip naar warme apparatuur buiten de koeler te lopen — en dat is precies het obstakel waar quantumcomputers nu tegenaan lopen als ze willen opschalen naar duizenden of miljoenen qubits.

Wat is het precies?

Een quantumprocessor bestaat uit qubits: fysieke systemen — bijvoorbeeld supergeleidende circuits, ingevangen ionen of elektronen in silicium — die informatie kunnen vasthouden in een fragiele quantumtoestand. Om die qubits te besturen zijn duizenden precieze elektrische signalen nodig: pulsjes om een qubit te laten "draaien", en uitleessignalen om te bepalen wat de uitkomst van een berekening is.

In de meeste huidige quantumcomputers komen die signalen van kamertemperatuur-elektronica buiten de koelkast (een zogeheten cryostaat of dilution refrigerator, die tot bijna het absolute nulpunt koelt). Elk signaal loopt via een eigen bekabelde verbinding, vaak coax-kabel, van buiten naar binnen. Met tientallen qubits is dat te doen; met duizenden wordt het een fysiek probleem — er past simpelweg niet genoeg bekabeling in de koeler, en elke kabel voert ook een beetje warmte mee naar binnen. Dit staat in de sector bekend als de wiring bottleneck (bekabelingsknelpunt).

De oplossing die QSiP nastreeft: bouw een besturingschip die zelf ook (deels) op lage temperatuur kan werken — cryo-CMOS genoemd, chips gemaakt met gangbare halfgeleidertechniek maar getest en geoptimaliseerd voor gebruik bij enkele kelvin — en stapel of plaats die vlak naast of onder de qubitchip. Technieken die daarbij gebruikt worden, komen rechtstreeks uit de klassieke chipindustrie: flip-chip bonding (twee chips met de "gezichten" naar elkaar toe verbinden via microscopisch kleine soldeerbolletjes), through-silicon vias (piepkleine verticale doorverbindingen dwars door een siliciumchip) en 2.5D/3D-verpakkingstechnieken waarbij chips als een soort sandwich op elkaar worden gestapeld.

Het resultaat is, in theorie, een compact blokje waarin de qubitchip en zijn "stuurman" samen leven, met slechts een handvol kabels naar de buitenwereld voor stroom, klok en een beperkt aantal data-lijnen — in plaats van duizenden losse kabels.

Wat wil men ermee bereiken?

Het hoofddoel is opschalen. Vrijwel alle experts zijn het erover eens dat nuttige quantumtoepassingen — zoals het simuleren van moleculen voor medicijnontwikkeling of het kraken van bepaalde cryptografische problemen — pas haalbaar worden met honderdduizenden tot miljoenen betrouwbare qubits, mede omdat foutcorrectie veel "fysieke" qubits nodig heeft om één betrouwbare "logische" qubit te vormen. Met de huidige bekabelingsaanpak is dat aantal simpelweg niet aan te sluiten.

Daarnaast spelen drie praktische wensen mee. Ten eerste minder warmte-inbreng: elke kabel en elk signaal dat van kamertemperatuur naar het koudste puntje van de koeler gaat, kost koelvermogen, en dat koelvermogen is op de laagste temperatuurtrap extreem schaars en duur. Ten tweede kortere, snellere verbindingen: qubits reageren gevoelig op vertraging en ruis, en chips die vlak naast elkaar zitten hebben kortere, minder storingsgevoelige verbindingen dan chips die via meters kabel zijn verbonden. Ten derde kostenbeheersing en herhaalbaarheid: als je qubit- en besturingschips volgens standaard chipverpakkingstechnieken kunt produceren, profiteer je van decennia aan ervaring en productiecapaciteit uit de gewone halfgeleiderindustrie, in plaats van alles handmatig met losse kabels te bedraden.

Voorbeelden uit de praktijk

Verschillende partijen experimenteren met varianten van dit idee, elk vanuit hun eigen qubit-technologie:

Intel presenteerde in 2019 Horse Ridge, een cryogene besturingschip die is ontworpen om bij enkele kelvin naast supergeleidende qubits te functioneren, met opvolgers (Horse Ridge II, later verder ontwikkeld) die meerdere qubit-besturingsfuncties op één chip combineren.
imec (het Belgische micro- en nanotechnologie-onderzoekscentrum) werkt samen met partners uit de chipindustrie aan cryo-CMOS-ontwerpen en geavanceerde chipverpakking, met als expliciet doel qubit- en controlechips dichter bij elkaar te integreren volgens SiP-principes.
QuTech, het Delftse quantumonderzoeksinstituut van TU Delft en TNO, ontwikkelt al jaren cryo-CMOS-besturingselektronica voor spin-qubits in silicium en werkt aan integratie van die elektronica dicht bij de qubitchip.
Rigetti Computing gebruikt sinds enkele jaren multi-chip modules: meerdere kleinere supergeleidende qubitchips die met verpakkingstechnieken worden samengevoegd tot een groter processorblok, als tussenstap richting verdere schaalvergroting.
Onderzoeksgroepen die met siliciumspin-qubits werken (een technologie die dicht aanleunt bij bestaande chipfabricage) benadrukken vaak juist het voordeel dat hun qubits, in tegenstelling tot supergeleidende qubits, gemaakt worden met processen die al heel dicht bij standaard chipproductie liggen — wat integratie met besturingselektronica in theorie makkelijker maakt.

Belangrijke kanttekening: de meeste van deze projecten bevinden zich nog in de onderzoeks- en demonstratiefase. Precieze, geverifieerde productiecijfers en recente jaartallen voor de nieuwste generaties chips kon ik voor dit artikel niet met een actuele bron staven; raadpleeg voor de laatste stand de bronnen hieronder.

Hoe ver is de techniek?

Quantum System-in-Package zit op dit moment vooral in de fase van onderzoeksdemonstraties en eerste prototypes, niet in commerciële massaproductie. Losse onderdelen zijn wel bewezen: cryogene besturingschips bestaan en werken aantoonbaar bij lage temperatuur, en chipverpakkingstechnieken zoals flip-chip bonding zijn in de gewone chipindustrie al decennialang gangbaar. De uitdaging zit in de combinatie: beide werelden — extreem gevoelige quantumhardware en dichte, warmte-genererende elektronica — dicht bij elkaar laten samenwerken zonder dat de ene de andere verstoort.

Concrete obstakels zijn onder meer: besturingschips genereren, hoe zuinig ook ontworpen, altijd wat warmte en elektrische ruis, en beide kunnen de fragiele quantumtoestand van naburige qubits verstoren. Materialen die bij kamertemperatuur prima werken, gedragen zich bij enkele kelvin soms onvoorspelbaar (bijvoorbeeld door mechanische spanning tussen materialen die verschillend krimpen bij afkoeling). En omdat het onderzoeksveld nog relatief jong is, ontbreken nog gestandaardiseerde, geteste verpakkingsrecepten specifiek voor qubits, terwijl de klassieke chipindustrie daar al lang goede standaarden voor heeft.

Het tempo van vooruitgang is de afgelopen jaren duidelijk versneld, mede doordat grote chipbedrijven en gespecialiseerde quantumbedrijven elkaar hier steeds vaker opzoeken. Toch waarschuwen onderzoekers zelf dat schaalvergroting naar de miljoenen qubits die voor volwaardige foutcorrectie nodig zijn, nog een kwestie van jaren tot mogelijk een decennium of langer is, en dat QSiP daarbij een noodzakelijke maar niet de enige uitdaging is.

Wie werken eraan?

Op het snijvlak van chipindustrie en quantumonderzoek zijn vooral de volgende partijen actief:

Bedrijven: Intel (cryogene besturingschips en eigen qubit-onderzoek), IBM (schaalbare cryostaat- en verpakkingsarchitecturen voor supergeleidende qubits), Google Quantum AI (eigen cryo-elektronica-onderzoek), en gespecialiseerde quantumbedrijven zoals Rigetti Computing en verschillende spin-qubit-bedrijven die nauw samenwerken met chipfoundries.

Onderzoeksinstituten: imec in Leuven, België, geldt als een van de belangrijkste onafhankelijke onderzoekscentra voor cryo-CMOS en quantumchipverpakking, mede dankzij zijn expertise in geavanceerde halfgeleiderverpakking. QuTech in Delft, Nederland (TU Delft/TNO), is toonaangevend in cryo-CMOS-besturing voor spin-qubits. Ook nationale laboratoria en universiteiten in de Verenigde Staten, Japan en Australië publiceren regelmatig over cryogene besturingselektronica.

Landen/regio's: naast de Verenigde Staten (met de grote techbedrijven en nationale quantuminitiatieven) investeert de Europese Unie via onder meer het Quantum Flagship-programma in dit soort integratieonderzoek, met België en Nederland als opvallend actieve landen dankzij imec en QuTech. Ook Japan en Australië hebben actieve onderzoeksgroepen op dit gebied.