Supergeleidende chip: het koude hart van de quantumcomputer
Een supergeleidende chip is een computerchip die alleen werkt als hij extreem koud wordt gemaakt: kouder dan de lege ruimte tussen sterren. Op zo'n chip zitten piepkleine elektrische circuits die bij die kou een bijzondere eigenschap krijgen, namelijk supergeleiding. Stroom kan er dan doorheen stromen zonder enige weerstand, alsof je op een snelweg rijdt zonder ooit last te hebben van wind, hobbels of andere auto's die je afremmen.
Deze chips zijn vooral bekend als het hart van de meest geavanceerde quantumcomputers, gebouwd door bedrijven als Google en IBM. De piepkleine circuits fungeren daarin als qubits, de quantumversie van de bits (enen en nullen) in een gewone computer. Maar supergeleidende chips duiken ook op buiten de quantumwereld, bijvoorbeeld in extreem gevoelige sensoren voor hersenonderzoek. In dit artikel leggen we uit hoe de techniek werkt, wat de belofte is, en hoe ver we daadwerkelijk zijn.
Wat is het precies?
Supergeleiding is een natuurkundig verschijnsel dat al in 1911 werd ontdekt: sommige metalen verliezen hun elektrische weerstand volledig zodra ze extreem koud worden. Normaal gesproken botsen elektronen (de deeltjes die stroom vormen) voortdurend tegen trillende atomen in een metaaldraad, waardoor energie verloren gaat als warmte. Bij temperaturen vlakbij het absolute nulpunt stoppen die botsingen vrijwel helemaal, en stroomt elektriciteit ongehinderd door.
Op een supergeleidende chip worden van dit verschijnsel piepkleine circuits gemaakt, meestal van niobium of aluminium op een basisplaatje van silicium, met vergelijkbare technieken als bij gewone computerchips. Het cruciale onderdeel is de zogeheten Josephson-junctie: twee stukjes supergeleidend materiaal die van elkaar gescheiden zijn door een extreem dun isolerend laagje, te dun om normaal doorheen te geleiden. Dankzij een quantummechanisch effect, tunneling genoemd, kunnen elektronenparen er toch doorheen 'lekken' alsof het laagje er niet is.
Deze Josephson-junctie zorgt ervoor dat het circuit zich gedraagt als een kunstmatig atoom: het heeft, net als een echt atoom, specifieke energieniveaus waartussen het kan schakelen. Door dit kunstmatige atoom nauwkeurig aan te sturen met microgolfpulsen, kan het dienstdoen als qubit in een quantumcomputer.
Al deze quantumeffecten zijn zeer fragiel en verdwijnen zodra er warmte of trillingen in de buurt komen. Daarom worden supergeleidende chips in een zogeheten dilution refrigerator gehangen, een koeltoestel dat de chip afkoelt tot ongeveer 10 tot 20 millikelvin, oftewel een fractie van een graad boven het absolute nulpunt. Dat is honderden keren kouder dan de ruimte tussen de sterren.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel is een quantumcomputer die bepaalde problemen kan oplossen waar gewone computers op vastlopen. Een gewone bit is altijd óf een 0 óf een 1. Een qubit kan dankzij een quantumeigenschap die superpositie heet, in zekere zin tegelijk 0 én 1 zijn, tot het moment dat je hem afleest. Meerdere qubits kunnen bovendien met elkaar verstrengeld raken, wat betekent dat hun toestanden onderling verbonden raken, zelfs als ze fysiek apart liggen. Door deze twee eigenschappen slim te combineren, kan een quantumcomputer in theorie razendsnel door een enorm aantal mogelijke uitkomsten tegelijk 'zoeken'.
Onderzoekers hopen dat dit ooit nuttig is voor het simuleren van moleculen en materialen (bijvoorbeeld voor nieuwe medicijnen of batterijen), voor complexe optimalisatievraagstukken, en voor cryptografie-onderzoek. Voor de meeste alledaagse taken, zoals tekstverwerken of internetten, biedt een quantumcomputer geen enkel voordeel; het is gereedschap voor een heel specifieke klasse problemen.
Naast quantumcomputers hebben supergeleidende chips ook toepassingen zonder quantumberekeningen. SQUID-sensoren (Superconducting Quantum Interference Device) kunnen extreem zwakke magneetveldjes meten, en worden onder meer gebruikt bij hersenonderzoek (om de zwakke magnetische signalen van hersenactiviteit te meten) en in de geologie. Ook wordt er, op kleinere schaal, geëxperimenteerd met supergeleidende chips als ultrasnelle klassieke rekenschakelingen, een niche die bekendstaat als RSFQ-logica (Rapid Single Flux Quantum), gericht op zeer lage energieverliezen bij hoge snelheden.
Voorbeelden uit de praktijk
Google presenteerde in 2019 zijn Sycamore-chip, met destijds 53 qubits, en claimde daarmee een berekening te hebben uitgevoerd die voor een klassieke supercomputer onhaalbaar zou zijn, een resultaat dat destijds fel bediscussieerd werd door andere onderzoekers. Eind 2024 volgde de opvolger Willow, een chip met ruim honderd qubits waarmee Google claimde voor het eerst te hebben aangetoond dat foutcorrectie 'onder de drempel' kan werken: hoe meer qubits je toevoegt, hoe minder fouten er optreden, in plaats van andersom. Deze resultaten zijn gepubliceerd, maar zoals gebruikelijk in dit vakgebied wordt er binnen de wetenschappelijke gemeenschap nog gediscussieerd over de precieze interpretatie en praktische betekenis ervan.
IBM bouwt al jarenlang supergeleidende quantumchips onder namen als Condor en Heron, met aantallen qubits die zijn opgelopen tot ruim duizend op één chip. IBM is inmiddels deels verschoven van 'zoveel mogelijk qubits' naar chips met minder maar betrouwbaardere qubits, die onderling gekoppeld worden tot grotere systemen.
In China ontwikkelt de University of Science and Technology of China (USTC) de Zuchongzhi-serie supergeleidende quantumchips, met opeenvolgende versies sinds ongeveer 2021 die claimen vergelijkbare 'quantumvoordeel'-resultaten te behalen als de Amerikaanse concurrenten.
Rigetti Computing, een Amerikaans bedrijf, bouwt eigen supergeleidende quantumchips met enkele tientallen qubits en richt zich vooral op cloudtoegang tot quantumhardware voor onderzoekers en bedrijven.
Een voorbeeld buiten de quantumwereld is SeeQC, een Amerikaans bedrijf dat klassieke (niet-quantum) supergeleidende digitale chips ontwikkelt op basis van RSFQ-logica, gericht op zeer energiezuinige, snelle signaalverwerking.
Hoe ver is de techniek?
De huidige generatie supergeleidende quantumchips bevindt zich in wat onderzoekers de NISQ-fase noemen: Noisy Intermediate-Scale Quantum. Dat betekent chips met een beperkt aantal qubits (van enkele tientallen tot ruim duizend), die nog behoorlijk foutgevoelig zijn. 'Noisy' (ruizig) verwijst naar de vele storingen die de fragiele quantumtoestand kunnen verstoren.
Die storingsgevoeligheid heet decoherentie: het proces waarbij de broze quantumtoestand van een qubit door trillingen, warmte of elektromagnetische ruis verloren gaat, waardoor de qubit zich weer als een gewone, klassieke bit gaat gedragen. Bij de beste huidige supergeleidende qubits duurt het slechts enkele tientallen tot een paar honderd microseconden voordat decoherentie optreedt, een fractie van een seconde. Al die tijd moet een berekening zijn afgerond.
Foutcorrectie, zoals Google claimt met Willow, is een belangrijke stap om dit probleem structureel aan te pakken: door informatie over meerdere fysieke qubits te verspreiden, kun je een stabielere 'logische' qubit maken. Maar om een werkelijk bruikbare, foutbestendige quantumcomputer te bouwen zijn naar verwachting nog vele duizenden tot miljoenen fysieke qubits nodig, veel meer dan de huidige chips bevatten. Grote obstakels zijn de bekabeling (elke qubit heeft doorgaans eigen stuur- en meetlijnen, wat lastig opschaalt), de beperkte ruimte in koelapparatuur, en de blijvend hoge foutpercentages per rekenstap.
Eerlijkheidshalve: een overtuigend, praktisch nuttig voordeel voor echte bedrijfsproblemen (buiten specifieke wetenschappelijke demonstraties) is tot nu toe niet aangetoond. Het veld ontwikkelt zich snel, maar blijft voorlopig experimenteel van aard.
Wie werken eraan?
Google Quantum AI en IBM Quantum zijn de bekendste ontwikkelaars van supergeleidende quantumchips, gevolgd door bedrijven als Rigetti Computing en Intel. SeeQC richt zich specifiek op klassieke (niet-quantum) supergeleidende chips. Ook clouddiensten als Amazon Web Services bieden toegang tot supergeleidende quantumhardware van derde partijen.
Op onderzoeksgebied geldt Yale University als een van de bakermatten van deze techniek: onderzoekers als Michel Devoret en Robert Schoelkopf ontwikkelden daar begin jaren 2000 belangrijk pionierswerk aan wat nu de meest gebruikte vorm van supergeleidende qubit is (de zogeheten transmon-qubit). Ook instituten als ETH Zürich in Zwitserland en het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology (NIST) doen fundamenteel onderzoek op dit gebied.
In China trekt de University of Science and Technology of China (USTC), onderdeel van de Chinese Academy of Sciences, de kar met de Zuchongzhi-chips. In Nederland is QuTech in Delft (een samenwerking tussen TU Delft en TNO) het belangrijkste quantumonderzoekscentrum; zoals de meeste grote quantumonderzoekscentra werkt QuTech aan meerdere qubit-technologieën tegelijk, waaronder spin-qubits en topologische qubits, naast onderzoek dat raakt aan supergeleidende schakelingen. Over het algemeen concentreert het internationale onderzoeksveld zich vooral in de Verenigde Staten, China en de Europese Unie.