Single Flux Quantum: rekenen met magnetische pulsjes in plaats van stroom
Een gewone computerchip rekent met spanning: een hoog spanningsniveau betekent een '1', een laag niveau een '0'. Single Flux Quantum (SFQ) doet iets heel anders. In plaats van spanningsniveaus vast te houden, stuurt een SFQ-chip razendsnelle, piepkleine spanningspulsjes rond die allemaal precies even groot zijn. Of zo'n pulsje er wel of niet is op een bepaald moment, bepaalt of er een 1 of een 0' wordt doorgegeven. Vergelijk het met een fluitje dat maar op één manier kan klinken: je hoort het, of je hoort het niet, er is geen 'zacht' of 'hard' fluitje. Die eenvoud maakt de pulsjes ongevoelig voor kleine verstoringen, en dat maakt ze geschikt om met extreme snelheid te schakelen.
Het bijzondere zit in het woord 'quantum': elk pulsje bevat altijd exact dezelfde hoeveelheid magnetische flux, een fysische grootheid die iets zegt over een magnetisch veld door een lus. Deze hoeveelheid is geen ontwerpkeuze maar een natuurwet, vergelijkbaar met hoe een foton altijd een vaste hoeveelheid lichtenergie draagt. Om dit te laten werken, moeten de chips supergeleidend zijn: gemaakt van materialen die bij extreme kou (rond de -269°C, vlakbij het absolute nulpunt) helemaal geen elektrische weerstand meer hebben. Dat maakt SFQ geen technologie voor op je bureau, maar een specialistische techniek voor laboratoria en datacenters met zware koeling.
Wat is het precies?
De bouwsteen van SFQ-chips is de Josephson-junctie: twee stukjes supergeleidend metaal (meestal niobium) gescheiden door een extreem dun isolerend laagje. Elektronen kunnen daar, dankzij een kwantummechanisch effect, doorheen 'tunnelen'. Als je door zo'n junctie meer stroom stuurt dan een bepaalde drempelwaarde, geeft de junctie een piepkleine spanningspuls af die maar een paar picoseconden duurt (een picoseconde is een biljoenste van een seconde).
Sluit je zo'n junctie in een lus van supergeleidend materiaal, dan geldt een strikte natuurkundige regel: de magnetische flux door die lus kan alleen in exacte veelvouden van één vaste eenheid voorkomen, de 'fluxquant' (ongeveer 2 femtoweber, een onvoorstelbaar kleine hoeveelheid). Een SFQ-puls ontstaat wanneer er precies één fluxquant de lus in of uit beweegt. Omdat deze eenheid vastligt in de natuurkunde, is elke puls in elke SFQ-chip identiek qua vorm en grootte. Dat is anders dan bij gewone chips, waar spanningsniveaus door ruis en productieverschillen altijd een beetje kunnen variëren.
Door duizenden Josephson-junctie's slim te combineren, bouwen ingenieurs digitale schakelingen (AND-, OR-, en geheugenpoorten) die deze pulsjes doorgeven, combineren en opslaan. De eerste en bekendste variant van deze aanpak heet RSFQ (Rapid Single Flux Quantum), voorgesteld in 1985 door de natuurkundigen Konstantin Likharev en Oleg Semenov aan de Staatsuniversiteit van Moskou. Latere varianten zoals ERSFQ en eSFQ pakken een nadeel van het oorspronkelijke ontwerp aan: RSFQ gebruikt namelijk kleine weerstanden om stroom te verdelen, die voortdurend energie verspillen ook als er niets gebeurt. Een nog zuiniger variant, AQFP (Adiabatic Quantum Flux Parametron), laat het schakelproces geleidelijker verlopen, wat het energieverbruik nog verder verlaagt maar ook de snelheid iets afremt.
Wat wil men ermee bereiken?
De belofte van SFQ zit in twee dingen tegelijk: snelheid en energiezuinigheid. Omdat de pulsjes maar een paar picoseconden duren, kunnen SFQ-schakelingen in theorie met kloksnelheden van meer dan honderd gigahertz werken, tientallen keren sneller dan de snelste gewone processorchips. Tegelijk kost het schakelen van één Josephson-junctie ontzettend weinig energie, al is dat voordeel meteen ook wat lastig te becijferen: de koeling naar bijna het absolute nulpunt kost zelf juist heel veel energie.
Onderzoekers zien vooral twee toepassingen waar dat afwegingsprobleem al gunstig uitpakt. Ten eerste: het aansturen van kwantumcomputers. De supergeleidende qubits in machines van bijvoorbeeld IBM en Google moeten al gekoeld worden tot bijna het absolute nulpunt, en momenteel lopen daar dikke bundels bekabeling naartoe vanuit kamertemperatuur-elektronica. Hoe meer qubits, hoe onhandelbaarder die bekabeling wordt. SFQ-chips kunnen, omdat ze zelf ook bij lage temperatuur werken, dichtbij de qubits geplaatst worden en zo die bekabeling drastisch verminderen. Ten tweede: extreem snelle signaalverwerking, zoals het omzetten van analoge radiosignalen naar digitale data (analoog-naar-digitaalomzetting, ofwel ADC) voor radiotelescopen en communicatieapparatuur.
Voorbeelden uit de praktijk
Het Amerikaanse bedrijf HYPRES, opgericht in de jaren tachtig in Elmsford (New York), was decennialang de belangrijkste commerciële speler in RSFQ-technologie en bouwde onder meer SFQ-gebaseerde ADC's die gebruikt zijn in radioastronomie en digitale ontvangers.
Vanuit dat werk is het bedrijf SeeQC ontstaan, dat zich specifiek richt op SFQ-chips als 'klassieke' besturingselektronica vlak naast supergeleidende qubits, om zo het bekabelingsprobleem van kwantumcomputers aan te pakken.
De Amerikaanse inlichtingenonderzoeksorganisatie IARPA financierde tussen ongeveer 2014 en 2019 het programma C3 (Cryogenic Computing Complexity), waarin verschillende Amerikaanse universiteiten en bedrijven onderzochten of SFQ-technologie een energiezuiniger pad naar extreem krachtige supercomputers (exascale computing) kon bieden.
In Japan bouwde de groep van hoogleraar Nobuyuki Yoshikawa aan de Yokohama National University demonstratiechips op basis van AQFP, de zuinige variant van SFQ-logica, en werkte samen met het Japanse fabricagelab ISTEC-SRL, dat als gespecialiseerde 'foundry' (productiefaciliteit) diende voor experimentele supergeleidende chips.
Ook Stony Brook University in de Amerikaanse staat New York, de thuisbasis van RSFQ-pionier Likharev, en het Amerikaanse standaardeninstituut NIST hebben decennialang bijgedragen aan fundamenteel onderzoek naar supergeleidende digitale elektronica.
Hoe ver is de techniek?
SFQ bestaat als onderzoeksveld al veertig jaar, maar heeft de sprong naar breed commercieel gebruik nooit gemaakt. Voor algemene computertaken (het vervangen van gewone processoren) blijft het praktisch lastig: de chips zijn minder dicht dan moderne siliciumchips (er passen dus minder schakelingen op eenzelfde oppervlak), en het combineren van een supersnelle chip met de trage, dure koeling tot bijna het absolute nulpunt levert op systeemniveau niet automatisch energiewinst op. Ook blijft het lastig om data efficiënt tussen de koude chip en de warme buitenwereld te krijgen.
Voor de nichetoepassing van kwantumcomputer-besturing ligt dat gunstiger, omdat de koeling daar toch al nodig is voor de qubits zelf. Bedrijven als SeeQC hebben inmiddels werkende demonstratiechips getoond die (delen van) supergeleidende qubits aansturen, maar dit bevindt zich nog altijd in een pril, experimenteel stadium vergeleken met gevestigde kwantumcomputerhardware. Er zijn geen op de markt beschikbare producten die kwantumcomputers op grote schaal met SFQ-elektronica besturen; het gaat vooralsnog om prototypes en laboratoriumdemonstraties. Voor signaalverwerking (ADC's) is de technologie het verst ontwikkeld en al langer in praktijkgebruik geweest, zij het in een beperkte, gespecialiseerde markt.
Wie werken eraan?
Naast de eerder genoemde partijen is de kring van actieve onderzoeksgroepen en bedrijven relatief klein en overzichtelijk, wat typisch is voor een nichetechnologie. In de Verenigde Staten zijn dat vooral SeeQC, Stony Brook University, NIST en universiteiten en bedrijven die destijds meededen aan het IARPA C3-programma. In Japan is Yokohama National University een centrale speler, samen met fabricagepartners zoals ISTEC-SRL. Rusland heeft, via de historische banden met de Staatsuniversiteit van Moskou waar RSFQ is uitgevonden, ook een onderzoekstraditie op dit gebied, al is de internationale samenwerking op dit vlak de afgelopen jaren sterk afgenomen. Overheidsfinanciering, met name via IARPA in de VS, is historisch een belangrijke drijvende kracht geweest achter het onderzoek, omdat commerciële partijen het risico van deze vroege-fase-technologie lange tijd te groot vonden om alleen te dragen.