Cryogene prestatietest van een commerciële SP4T-micro-elektromechanische schakelaar voor toepassingen in quantumcomputing

Waarom het verkleinen van bekabeling belangrijk is voor quantumcomputers

Het bouwen van bruikbare quantumcomputers zal waarschijnlijk miljoenen fragiele quantumbits, of qubits, vereisen die tot temperaturen dicht bij het absolute nulpunt worden gekoeld. De huidige machines verbinden elke qubit met omvangrijke elektronica bij kamertemperatuur via een eigen kabel, een beetje zoals iedereen in een stad rechtstreeks op een elektriciteitscentrale willen aansluiten. Dit artikel onderzoekt of een klein mechanisch relais, dat al commercieel verkrijgbaar is voor alledaagse radiofrequentie-elektronica, betrouwbaar kan functioneren bij ultra‑koude temperaturen en kan helpen dit bekabelingsknelpunt op te lossen.

Een verkeersregelaar voor quantumsignalen

Moderne supergeleidende quantumcomputers plaatsen hun qubit‑chips op ongeveer tienduizendsten van een graad boven het absolute nulpunt, binnen gespecialiseerde koelkasten. Besturings‑ en uitleesignalen reizen van de kamertemperatuur naar beneden door stapels metalen platen, filters en versterkers. Naarmate systemen opschalen, is er simpelweg niet genoeg ruimte of koelvermogen om voor elke qubit een eigen kabel te reserveren. De auteurs richten zich op een alternatief: het plaatsen van “multiplexers” dicht bij de koude qubit‑chip. Deze apparaten werken als verkeersregelaren en leiden signalen tussen vele qubits met veel minder kabels van bovenaf. De studie evalueert een commerciële single‑pole four‑throw (SP4T) micro‑elektromechanische (MEMS) schakelaar — in wezen een klein bewegend metalen cantilever dat één ingangsleiding op een van vier uitgangen kan schakelen — als bouwsteen voor zulke cryogene multiplexers.

Kleine bewegende balken die van kou houden

In tegenstelling tot gewone transistors werkt de MEMS‑schakelaar door fysiek een microscopische metalen cantilever naar beneden te buigen zodat deze een contact raakt wanneer er een spanning wordt aangelegd. Het team gebruikte computersimulaties en experimenten in een cryogene probe‑opstelling bij ongeveer 5,8 kelvin om te onderzoeken hoe deze beweging en het elektrische gedrag veranderen in de kou. Ze ontdekten dat de kloof die de balk moet overbruggen nauwelijks verandert met de temperatuur, waardoor de spanning die nodig is om hem naar beneden te trekken slechts licht daalt — ongeveer drie procent — in plaats van sterk te driften zoals bij veel oudere MEMS‑ontwerpen. Eenmaal gesloten verbetert de contactweerstand tussen de metalen delen zelfs met meer dan 15 procent bij lage temperatuur, omdat de elektrische weerstand in metalen afneemt wanneer trillingen verstillen. Radiofrequentietests tot tientallen gigahertz toonden aan dat signaalverlies door de schakelaar onder een halve decibel blijft in de belangrijke 4–8 gigahertzband die door veel supergeleidende qubits wordt gebruikt, terwijl isolatie tussen kanalen beter blijft dan 35 decibel. Kortom, de schakelaar geleidt het gewenste signaal schoon en blokkeert ongewenste overspraak sterk, en doet het in de kou op meerdere punten zelfs beter dan bij kamertemperatuur.

Een cryogeen stuiterprobleem temmen

Het werken bij zulke lage temperaturen introduceerde echter een onverwachte uitdaging: het stuiteren van de balk. De schakelaarbehuizing is afgesloten met een kleine hoeveelheid gas erin. Bij afkoeling condenseert dat gas en blijft er bijna vacuüm over, waardoor de lucht demping verdwijnt die normaal de beweging van de balk dempt. Als gevolg kan de balk bij het raken van het contact als een klein belletje gaan nagalmen en herhaaldelijk openen en sluiten gedurende ongeveer 150 microseconden. Dit laat het elektrische uitgangssignaal oscilleren en kan gevoelige quantumsignalen verstoren. Door de stuursignaalgolfvorm zorgvuldig te vormen, vonden de onderzoekers een manier om de balk net voor de inslag af te remmen en de terugslag te verminderen. Hun ontworpen golfvorm past kort een hogere spanning toe om de beweging te starten, valt dan terug naar een lagere spanning zodat de balk bijna met nul snelheid arriveert, voordat hij terugschakelt naar een houdniveau. Een vergelijkbare sequentie wordt gebruikt bij het loslaten van de balk. Deze strategie verlengt de schakeltijd licht tot ongeveer 3,3 microseconden, maar elimineert bijna het stuiteren en voldoet nog steeds aan de eisen van veel tijdgemultiplexte uitleesschema’s.

Duurzaamheid en eenvoudige logica bewijzen bij ultra‑lage temperaturen

Met de verbeterde aanstuurgolfvorm konden de onderzoekers de MEMS‑schakelaar herhaaldelijk bij lage temperatuur schakelen en het gedrag monitoren. Zelfs na meer dan honderd miljoen aan‑uit‑cycli bleven de schakelsignalen en de aan‑weerstand stabiel, wat duidt op uitstekende mechanische en elektrische betrouwbaarheid in de cryogene omgeving. Ze testten vervolgens het volledige SP4T‑apparaat — één ingang naar vier verschillende uitgangen — en toonden aan dat signalen netjes naar elke gekozen uitgang konden worden geleid door de bijbehorende poortelektrode te activeren. Door te profiteren van de manier waarop deze schakelaars in serie of parallel met eenvoudige weerstanden kunnen worden bedraad, demonstreerden de auteurs ook basis digitale bouwstenen, specifiek NAND‑ en NOR‑logische functies, bij 5,8 kelvin. Deze experimenten suggereren dat dergelijke mechanische apparaten niet alleen als passieve routeringselementen kunnen dienen, maar ook enige on‑chip logica dicht bij de qubits zouden kunnen ondersteunen.

Wat dit betekent voor toekomstige quantummachines

Voor een algemeen publiek is de belangrijkste conclusie dat een kant‑en‑klaar mechanisch radiorelais betrouwbaar kan werken bij temperaturen slechts enkele graden boven het absolute nulpunt en op meerdere punten daar zelfs beter presteert. Het apparaat verbruikt in wezen geen vermogen in rust, voegt zeer weinig ruis of signaalverlies toe en kan minstens 100 miljoen keer worden geschakeld zonder merkbare slijtage, terwijl het signalen tussen meerdere paden leidt en eenvoudige logica uitvoert. Er blijven enkele uitdagingen — zoals het verder versnellen voor de snelste besturingstaken en het verminderen van een langzaam “oplaad”effect in de isolatielagen — maar de resultaten suggereren sterk dat commerciële MEMS‑schakelaars veelbelovende bouwstenen zijn voor de dichte, energiezuinige bekabelingsnetwerken die nodig zijn om miljoenen qubits in de quantumcomputers van morgen te verbinden.

Bronvermelding: Lee, YB., Devitt, C., Zhu, X. et al. Cryogenic performance evaluation of commercial SP4T microelectromechanical switch for quantum computing applications. Microsyst Nanoeng 12, 72 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01178-4

Trefwoorden: hardware voor quantumcomputers, cryogene elektronica, MEMS-schakelaars, supergeleidende qubits, signaalmultiplexing