Verdunningskoelkast: de machine die dichter bij het absolute nulpunt komt dan wat ook in het heelal
Een verdunningskoelkast (in het Engels: dilution refrigerator, in het Nederlands ook wel mengkoelkast genoemd) is een apparaat dat materialen kan afkoelen tot temperaturen van een paar duizendste graad boven het absolute nulpunt: zo'n 0,01 tot 0,002 kelvin, oftewel 10 tot 2 millikelvin. Ter vergelijking: de koudste plek die op natuurlijke wijze in het heelal voorkomt, de Boemerangnevel, is nog altijd ongeveer 1 kelvin. Een verdunningskoelkast in een laboratorium is dus honderden keren kouder dan de koudste plek in de ruimte.
Het apparaat wordt niet gebruikt om iets te bewaren, zoals een keukenkoelkast, maar om onderzoek mogelijk te maken. Bij zulke extreme kou gedragen materialen zich anders: elektrische ruis verdwijnt bijna helemaal, en kwantumeffecten die normaal wegvallen tegen de warmte van de omgeving, worden juist zichtbaar en bruikbaar. Daarom hangt onder aan bijna elke serieuze quantumcomputer een gouden, kroonluchterachtige constructie: dat is de verdunningskoelkast die de rekenchip op temperatuur houdt.
Wat is het precies?
De kern van de truc zit in twee soorten helium: helium-4, de gewone variant, en het zeldzamere helium-3, waarvan het atoom één neutron minder heeft. Meng je deze twee bij extreem lage temperatuur, dan gebeurt er iets bijzonders: het mengsel splitst zich vanzelf in twee lagen, net zoals olie en azijn uit elkaar gaan. De bovenste laag bestaat vrijwel alleen uit helium-3, de onderste laag is een verdunde oplossing van helium-3 in helium-4.
Het overhevelen van helium-3-atomen van de geconcentreerde bovenlaag naar de verdunde onderlaag kost energie, ongeveer zoals verdampen van water energie kost en zijn omgeving daardoor afkoelt. Normaal gesproken houdt zo'n verdampingsproces op zodra alles verdampt is, maar bij dit mengsel gebeurt er iets unieks: zelfs bij een temperatuur van het absolute nulpunt blijft er altijd een klein beetje helium-3 (ongeveer 6,6 procent) oplosbaar in helium-4. Daardoor kan het proces in principe altijd doorgaan, tot aan het absolute nulpunt toe, en dat is precies wat een verdunningskoelkast zo bijzonder maakt: het is de enige bekende methode om continu, dus niet eenmalig, temperaturen ver onder 1 kelvin te bereiken.
In de praktijk wordt het helium-3 steeds weer uit de verdunde laag afgezogen, opnieuw gecondenseerd en teruggevoerd naar de bovenlaag, zodat het proces zichzelf blijft herhalen. Dit gebeurt in een reeks opeenvolgende koelstappen, elk kouder dan de vorige: van kamertemperatuur via ongeveer 4 kelvin (met vloeibaar helium of, in moderne 'droge' systemen, met een zogeheten pulsbuiskoeler die geen vloeibaar helium meer nodig heeft) naar steeds koudere platformen, tot de zogeheten mengkamer onderaan, waar de laatste en koudste stap plaatsvindt en waar het te onderzoeken object of de chip wordt bevestigd.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel is niet de kou zelf, maar wat die kou mogelijk maakt. Drie toepassingen springen eruit. Ten eerste quantumcomputing: de kwantumbits (qubits) in bijvoorbeeld supergeleidende quantumchips zijn zo gevoelig dat zelfs de warmtetrilling bij een temperatuur van 1 kelvin al genoeg is om hun broze kwantumtoestand te verstoren. Alleen bij zo'n 10 tot 20 millikelvin is de omgeving 'stil' genoeg om qubits lang genoeg stabiel te houden om er berekeningen mee te doen.
Ten tweede fundamenteel deeltjesonderzoek: detectoren die zoeken naar zeldzame gebeurtenissen, zoals hypothetische donkeremateriedeeltjes of een uiterst zeldzaam type radioactief verval, moeten extreem gevoelig zijn voor piepkleine hoeveelheden energie. Bij millikelvin-temperaturen wordt een kristal zo'n gevoelige thermometer dat één enkel deeltje al een meetbaar warmtesignaal geeft.
Ten derde de studie van de materie zelf: bij temperaturen dicht bij het absolute nulpunt vertonen sommige materialen verrassend gedrag, zoals suprageleiding (stroom zonder weerstand) of superfluïditeit (vloeistof zonder wrijving). Verdunningskoelkasten zijn het gereedschap waarmee natuurkundigen dit gedrag al decennialang blootleggen.
Voorbeelden uit de praktijk
Het eerste werkende exemplaar werd in 1965 gebouwd in het Kamerlingh Onnes Laboratorium in Leiden, door de onderzoekers Das, De Bruyn Ouboter en Taconis. Het idee zelf was al eerder, rond 1951, theoretisch geopperd door de Britse natuurkundige Heinz London. Leiden heeft van oudsher een sterke traditie in kou-onderzoek, teruggaand op Heike Kamerlingh Onnes, die in 1908 als eerste helium wist te vloeibaar te maken.
In 2019 gebruikte Google voor zijn Sycamore-experiment, waarmee het bedrijf claimde 'quantumsuperioriteit' te hebben aangetoond, een verdunningskoelkast om de chip rond de 20 millikelvin te houden.
IBM presenteerde in 2021 een bijzonder grote, op maat gebouwde verdunningskoelkast met de bijnaam 'Goldeneye', bedoeld om in de toekomst quantumchips te kunnen koelen die te groot zijn voor bestaande kasten.
Het CUORE-experiment, diep onder de Gran Sasso-berg in Italië, gebruikt een van de grootste verdunningskoelkasten ter wereld om bijna een ton aan telluriumoxide-kristallen af te koelen tot rond de 10 millikelvin, in de zoektocht naar een zeldzame vorm van radioactief verval die iets zou kunnen zeggen over de aard van neutrino's.
Ook in Nederland wordt er dagelijks mee gewerkt: bij QuTech, het quantumonderzoeksinstituut van de TU Delft, staan tientallen verdunningskoelkasten opgesteld voor onderzoek naar zowel supergeleidende als op silicium gebaseerde qubits.
Hoe ver is de techniek?
De verdunningskoelkast zelf is, als koeltechniek, volwassen: het principe bestaat sinds de jaren zestig en de apparaten zijn tegenwoordig commercieel verkrijgbaar en relatief betrouwbaar, met bedrijfstijden van maanden tot jaren zonder onderbreking. Wat wél snel verandert, is de schaal en het gebruiksgemak. Oudere 'natte' systemen hadden een constante aanvoer van vloeibaar helium nodig; moderne 'droge' systemen gebruiken mechanische koelers en zijn daardoor makkelijker te bedienen, al blijven ze afhankelijk van de wereldwijd krappe heliumvoorraad voor onderhoud en aanvulling.
De grootste actuele uitdaging zit niet in het koelen zelf, maar in de bekabeling. Elke qubit heeft doorgaans meerdere stuur- en meetkabels nodig die van kamertemperatuur naar de koude mengkamer lopen, en elke kabel voert onvermijdelijk een beetje warmte mee naar binnen. Naarmate quantumchips groeien van tientallen naar honderden of duizenden qubits, wordt deze 'warmtelast door bekabeling' een serieus knelpunt. Onderzoekers werken daarom aan oplossingen zoals speciale bekabeling met lage warmtegeleiding, optische in plaats van elektrische verbindingen, en zogeheten cryo-CMOS-chips: besturingselektronica die zelf al bij een paar kelvin binnen de koelkast werkt, zodat er minder kabels nodig zijn. Geen van deze oplossingen is nog uitontwikkeld voor grootschalig gebruik.
Wie werken eraan?
Op het gebied van de apparaten zelf zijn een paar gespecialiseerde fabrikanten toonaangevend: Bluefors uit Finland, Oxford Instruments (NanoScience) uit het Verenigd Koninkrijk, Leiden Cryogenics uit Nederland (een rechtstreekse erfgenaam van de Leidse traditie) en Janis Research, onderdeel van het Amerikaanse Lake Shore Cryotronics.
Op het gebied van toepassingen lopen de grote quantumcomputerbedrijven voorop, zoals Google Quantum AI, IBM Quantum, Rigetti en Intel, samen met onderzoeksinstituten als QuTech (TU Delft, Nederland), en internationale samenwerkingen rond deeltjesfysica zoals CERN in Zwitserland en het Laboratori Nazionali del Gran Sasso in Italië. Ook nationale meetinstituten, zoals het Duitse PTB en het Amerikaanse NIST, gebruiken verdunningskoelkasten voor precisiemetingen die aan de basis staan van internationale meetstandaarden.