Decennialang werden computers sneller, omdat de componenten op de chips steeds kleiner werden. Maar nu de grenzen van het mogelijke in zicht komen, wenden chipontwerpers zich tot de fotonica. Deze technologie belooft niet alleen enorme energiebesparing, maar mogelijk ook werkelijk bruikbare kwantumcomputers. Wat zijn fotonische chips precies?

“Er bestaat geen reden waarom iedereen thuis een computer zou willen hebben.” Ken Olsen, medeoprichter van het computerbedrijf Digital Equipment Corporation, sprak deze woorden in 1977. En hij had gelijk, want destijds hadden de meeste mensen niets aan zo’n ding. Pas na zo’n vijftien jaar werden pc’s gemeengoed in huishoudens en wat later kwamen de mobiele telefoon en zijn opvolger de smartphone op. Op een enkele hoogbejaarde na heeft iedereen inmiddels altijd zo’n zakcomputer bij de hand. Vergeleken met de computers uit de jaren 70 zijn dat formidabele apparaten. Wanneer je toen voorspeld zou hebben dat iedereen met een snoerloos plankje zou kunnen filmen, navigeren, beeldbellen en betalen en dat we er in permanent contact met bekenden mee zouden staan, dan zou dat louter meewarige blikken hebben uitgelokt.

Kwantummechanische wetten

Een minicomputer die alles kan en waar je zelfs mondelinge vragen aan kunt stellen, moet wel een enorm geoptimaliseerd apparaat zijn. Dat is inderdaad het geval. Smartphones zouden niet mogelijk zijn zonder uiterst compacte componenten, waaronder vooral de microprocessor. De allereerste processor, de Intel 4004 uit 1971, telde 2300 transistors. Tegenwoordig is 15 miljard geen uitzondering. De kloksnelheid bedroeg 740 kilohertz, oftewel zo’n 4000 keer trager dan wat tegenwoordig de norm is. En met 10 micrometer waren de transistors op deze oerchip ook nog eens zo’n 1000 tot 2000 keer groter dan de 10- of 5-nanometer-componenten op de huidige chips.

Hoe fantastisch ook, dit feest kan volgens veel deskundigen niet eeuwig doorgaan. Chips zijn gemaakt van silicium. Een siliciumatoom heeft een doorsnee van ruwweg 0,2 nanometer. De grenzen van de miniaturisering zijn dus in zicht. Daar komt bij dat elektronen, die de dragers van informatie zijn in deze transistors, op deze schaal grillig gedrag vertonen. De kwantummechanische wetten die het gedrag van elementaire deeltjes beschrijven, staan toe dat elektronen zich plotseling op een andere plek bevinden of zelfs op twee plekken tegelijk. Uiteraard is dit niet best voor de stabiliteit van een chip.

©PXimport

System on a chip

Volgens pessimisten komt hiermee een einde aan de Wet van Moore, de vuistregel dat het aantal transistors op een chip pakweg elke twee jaar verdubbelt. Nieuwe processors, zo vrezen ze, zullen niet meer de spectaculaire prestatiesprongen laten zien waaraan we gewend en verslaafd zijn geraakt. Nu zijn ontwerpers van chips gelukkig niet voor één gat te vangen. Het succes van de smartphone is gebaseerd op de uitvinding van de ‘system on a chip’, oftewel SoC. Door de processor, de grafische processor, het werkgeheugen en andere vitale onderdelen op één chip samen te brengen, kan flink wat ruimte en energie worden bespaard. Een laag energieverbruik is essentieel in mobiele apparaten: de accu raakt minder snel leeg en er hoeft minder warmte te worden afgevoerd. Traditionele laptopprocessors, zoals die van Intel, worden bij intensieve taken zo heet dat de chip zelfs bij een loeiende ventilator zijn kloksnelheid moet terugschakelen. SoC’s, zoals de M1-chip in de nieuwste laptops van Apple, blijven dermate koel dat een ventilator meer luxe dan noodzaak is. De nieuwste MacBook Air bevat er dan ook geen.

Geen vreemde eend

Maar hoe slim ook ontworpen, ook SoC’s lopen tegen de grenzen van de miniaturisering aan. Daarom beginnen chipontwerpers aan het fundamentele karakter van de traditionele siliciumchip te morrelen. Zoals we al zagen, is een chip een apparaat waarin groepjes elektronen heen en weer geschoven worden. Dat zijn elementaire deeltjes met een massa en een elektrische lading. Ze zijn daardoor gemakkelijk te manipuleren. Maar wanneer ze bewegen, warmen ze hun omgeving op. Er bestaat ook een deeltje dat dit nadeel niet heeft: het foton. Dit deeltje, feitelijk het kwantum van het elektromagnetische veld, is bepaald geen vreemde bijt in de ICT-industrie. Het wordt al jaren gebruikt om data te verzenden door glasvezelkabels en ook LiDAR berust op het uitzenden en opvangen van fotonen. Maar zodra deze deeltjes in een computer aankomen, geven ze het estafettestokje door aan elektronen, zodat er bewerkingen op kunnen worden uitgevoerd. Het onderzoeksveld dat zich met deze wisselwerking tussen fotonen en elektronen bezig houdt, wordt fotonica genoemd.

©PXimport

Grofstoffelijk

Fotonen kunnen dus worden gebruikt om data te verzenden en de omgeving te scannen, maar vooralsnog niet om te rekenen. Dat is teleurstellend, want fotonische schakelingen zijn in theorie ontzettend snel en erg energiezuinig.

Martijn Heck is sinds 2020 hoogleraar fotonica aan de Technische Universiteit Eindhoven, na eerder werkzaam te zijn geweest aan de Universiteit van Aarhus in Denemarken, waar hij in 2013 de Photonic Integrated Circuits-groep oprichtte. Het probleem met fotonica, zo zegt hij, is dat het niet schaalt. Het is vooralsnog dus onmogelijk fotonische schakelingen te maken die even klein zijn als elektronische transistors. Alleen al om die reden zal fotonica niet de transistor vervangen, aldus Heck tijdens een videogesprek. “Fotonica is te grofstoffelijk.” De voordelen van fotonica blijken subtieler. Fotonica, zo verzekert Heck, is goed in lengte. In het verzenden van data over lange afstanden dus. Glasvezelverbindingen vormen het ultieme voorbeeld, maar met de hoge datasnelheden van en naar de huidige microprocessors zijn decimeters en centimeters eveneens niet te negeren afstanden. Fotonica is daarom de aangewezen technologie om in datacenters servers met elkaar te verbinden. Dit wordt al in praktijk gebracht. Energiebesparing is daartoe opnieuw de belangrijkste stimulans.

©PXimport

Multiplexen

De volgende stap is het verbinden van verschillende chips binnen één systeem. Het Californische bedrijf AyarLabs bijvoorbeeld beweert een technologie in huis te hebben waarmee over afstanden van enkele millimeters tot twee kilometer bandbreedtes kunnen worden behaald die duizend keer hoger liggen dan die van traditionele elektrische verbindingen, bij een tien keer zo laag energieverbruik.

Heck is ervan overtuigd dat in de toekomst de verschillende onderdelen van één en dezelfde chip met fotonica verbonden zullen worden. Dat is nu nog problematisch, omdat het om heel korte afstanden gaat, waarbij de omzetting van elektronisch naar fotonisch en terug een wissel trekt op het energieverbruik. Dat er niettemin toekomst in zit, komt door de hoge bandbreedtes die behaald kunnen worden door te multiplexen: verschillende golflengtes kunnen tegelijkertijd over hetzelfde kanaal worden verzonden. Want niet alleen bandbreedte, maar ook bandbreedtedichtheid kan in huidige chips problematisch zijn, aldus Heck. “Denk in termen van het aantal pinnetjes waarmee de chip op het moederbord vast zit. Dat is beperkt. Multiplexen is daarom een goede oplossing.” Voor dat dit allemaal goed mogelijk is, dienen er nog wel wat materiaaltechnische hindernissen overwonnen te worden. Op dit moment berust de hele halfgeleiderindustrie op silicium. Dat is helaas een materiaal dat niet geneigd is licht uit te zenden. Er wordt daarom volop geëxperimenteerd met andere materialen, zoals galliumarsenide en indiumfosfide, die wel in staat zijn binnen een chip fotonen te produceren. Maar de integratie van zulke materialen in bestaande productielijnen voor chips is niet triviaal.

Kwantumcomputers

Zodra deze problemen overwonnen zijn, voorziet Heck wel degelijk fotonische systemen die specifieke rekenkundige bewerkingen uit kunnen voeren. In theorie zijn optische computers megaparallel. Dat maakt ze geschikt voor specifieke toepassingen, zoals het doorzoeken van databases. Het Britse bedrijf Optalysys pioniert hierin. Het parallelle karakter van fotonica maakt het ook geschikt voor neuromorfische processors: chips die net als dierlijke hersenen signalen tegen elkaar afwegen. In moderne SoC’s zijn zulke modules soms al aanwezig ter ondersteuning van machine learning en AI. Heck stelt zich voor dat zulke modules in de toekomst fotonisch van aard zullen zijn. Ze zullen veel krachtiger zijn dan de huidige neuromorfische modules, vanwege het feit dat licht uitgesplitst kan worden in verschillende frequenties die parallel verwerkt kunnen worden.

Verrassend genoeg ontwaart Heck ook raakvlakken tussen fotonica en kwantumcomputing. Kwantumcomputers zijn apparaten die problemen oplossen door gebruik te maken van de meest fundamentele eigenschappen van de natuur, zoals die beschreven worden door de kwantummechanica. Volgens deze theorie, die de afgelopen honderd jaar aan alle kanten experimenteel bevestigd is, bevinden elementaire deeltjes zich van nature in een zogenaamde superpositie. Dit is een vrij complex natuurkundig concept, maar in een kwantumcomputer betekent het dat de basiseenheid van informatie geen bit is, maar een qubit. Waar een bit 0 of 1 is, is een qubit een superpositie van deze twee toestanden. Qubits kunnen bovendien met elkaar verstrengeld zijn, een mysterieuze toestand waar Einstein zelf nog zijn tanden op stuk heeft gebeten. Hoe dan ook, de theorie voorspelt dat kwantumcomputers in principe reusachtig krachtig zijn in, vooral, het ontrafelen van processen in de natuur. De verwachting is dat ze zullen leiden tot doorbraken in onder meer de materiaalkunde en de farmacie.

©PXimport

Xanadu en PsiQuantum

De even beroemde als excentrieke natuurkundige Richard Feynman zei ooit dat wanneer iemand zegt de kwantumfysica te begrijpen, dat het bewijs vormt dat hij er niets van begrepen heeft. Onderzoekers die kwantumcomputers proberen te ontwerpen, tasten inderdaad voor een belangrijk deel in het duister. Het principe lijkt te werken, maar het blijkt uiterst moeilijk om het aantal qubits op te schalen tot het niveau waarop een apparaat werkelijk bruikbaar wordt. Elke toegevoegde qubit verdubbelt weliswaar de rekenkracht, maar dat lijkt ook te gelden voor de complexiteit van het systeem. IBM heeft niettemin simpele kwantumcomputers online staan waar geïnteresseerden nu al eenvoudige bewerkingen op uit kunnen voeren.

Fysieke qubits kunnen uit allerlei deeltjes (of grotere objecten) bestaan. Die dienen meestal wel tot bijna het absolute nulpunt afgekoeld te worden om te voorkomen dat omgevingsinvloeden de superpositie om zeep helpen. Fotonen daarentegen kunnen ook bij kamertemperatuur als qubits worden gebruikt. De Canadese start-up Xanadu presenteerde dit voorjaar ‘s werelds eerste fotonische kwantumchip. En deze zomer haalde het Californische bedrijf PsiQuantum 450 miljoen dollar op voor de ontwikkeling van de Q1: een op silicium gebaseerde fotonische kwantumcomputer met superieure foutcorrectie – een heet hangijzer in de wereld van de kwantumcomputing.

©PXimport

Wereldspelers à la ASML

Te midden van deze ontwikkeling rijst de vraag: in welke ontwikkelingsfase bevindt de fotonica zich als je het vergelijkt met de ontwikkeling van de micro-elektronica, als we de eerste Intel-chip uit 1971 als ijkpunt nemen? “In de buurt van 1980”, zegt Heck. Dat is een intrigerend antwoord. Dat betekent namelijk dat deze industrie een grote toekomst tegemoet gaat. Heck bevestigt dat hij exponentiële groei voor zich ziet.

Of jonge Nederlandse fotonicabedrijven zullen uitgroeien tot wereldspelers à la ASML, valt volgens Heck niet te zeggen. Dat hangt volgens hem ook sterk af van de manier waarop de huidige giganten, zoals de Taiwanese chipfabrikant TSMC, op deze ontwikkelingen inspelen. Hij benadrukt wel dat we in Nederland over ‘strategische technologie’ beschikken. De overheid onderkent dat ook. Vorig jaar nam het ministerie van Economische Zaken deel aan een investering van 35 miljoen euro in het Eindhovense SMART Photonics, maker van fotonische chips op basis van indiumfosfide. Zonder dat geld was dit innovatieve bedrijf met 75 werknemers hoogstwaarschijnlijk in Aziatische handen gevallen. Of de Wet van Moore gered zal worden door fotonica, lijkt inmiddels de verkeerde vraag. Moores vuistregel heeft eigenlijk alleen betrekking op de traditionele computerchip. Maar met fotonica slaat de computerindustrie een weg naar onbekend terrein in. Wellicht wacht aan de horizon de heilige graal in de vorm van een superkrachtige fotonische kwantumcomputer. Maar energiezuinige datacenters zijn ook de moeite waard.

©PXimport

De twee gezichten van het licht

Bij ID.nl zijn we dol op kwaliteitsproducten waar je niet de hoofdprijs voor betaalt. Een paar keer per week speuren we binnen een bepaald thema naar zulke deals. Ben je op zoek naar een betaalbaar sporthorloge? Vandaag hebben we vijf interessante modellen voor je gespot.

Xiaomi Smart Band 9

De onlangs verschenen Xiaomi Smart Band 9 is goedkoop en kent ook nog eens verrassend veel functies. Dit langwerpige sporthorloge is in de kleurstellingen zilver-wit, zwart en roze verkrijgbaar. Het amoledscherm van 1,62 inch biedt voldoende ruimte om diverse gegevens te tonen. Dankzij een respectabele resolutie van 192 × 490 pixels verschijnt alle informatie scherp in beeld – denk daarbij aan stappen, verbrande calorieën, weersverwachting en natuurlijk de tijd. Alle functies zijn via het aanraakscherm bereikbaar, want de Smart Band 9 heeft geen fysieke knoppen. De waterdichte behuizing weegt maar 15,8 gram (zonder bandje).

Kies in het menu tussen ruim 150 sportmodi en start vervolgens de training. Tijdens de inspanning kun je jouw hartslag in de gaten houden. Je koppelt de Smart Band 9 via bluetooth eenvoudig aan een smartphone. Laat het mobiele toestel vervolgens in je broek- of jaszak zitten, want inkomende notificaties verschijnen rechtstreeks op je pols. Een prettige eigenschap is dat je het scherm ook op zonovergoten plekken nog prima kunt lezen. Aan de hand van een lichtsensor kiest deze smartwatch automatisch de juiste helderheid. Ten slotte is de beschikbaarheid van meer dan tweehonderd wijzerplaten een leuk extraatje.

Garmin Instinct 2

Met deze relatief goedkope smartwatch van Garmin houd je nauwlettend jouw sportieve prestaties in de gaten. Je kunt de Instinct 2 zowel binnen als buiten dragen, want de robuuste behuizing is waterdicht tot een diepte van honderd meter. Op het ronde display van 176 × 176 pixels zie je onder meer de actuele hartslag, het aantal gezette stappen en de huidige snelheid. Er zijn ook een hoogtemeter en elektrisch kompas geïntegreerd. Onder leiding van diverse sport-apps doe je uiteenlopende trainingen. Je kunt bovendien na elke nacht de uitgebreide slaapmonitor bekijken.

Wanneer het sporthorloge met een smartphone is verbonden, zie je inkomende pushnotificaties voorbijkomen. De Instinct 2 bevat een energiezuinig zwart-witscherm. Dat komt de accuduur ten goede! De fabrikant claimt dan ook een batterijduur van zo'n 28 dagen in de smartwatchmodus. Het hier besproken model heeft een horlogekast van 45 millimeter. Als alternatief kun je een vergelijkbaar sporthorloge met een horlogekast van 40 millimeter kopen, de Garmin Instinct 2S.

Garmin Forerunner 255 Music

Ren, wandel of fiets je met een lekker muziekje nét wat steviger door? De Garmin Forerunner 255 Music is hiervoor bij uitstek geschikt. Je kunt namelijk nummers van Spotify, Deezer of YouTube Music downloaden en in het geheugen van deze smartwatch opslaan. Laat dus tijdens trainingen voortaan je smartphone thuisliggen en bedien de muziek vanaf je pols. Je hebt voor deze functie trouwens wel een betaald abonnement bij een van de genoemde muziekdiensten nodig. De Forerunner 255 Music heeft een horlogekast van 46 millimeter. Kies tussen een zwarte en witte uitvoering.

Op het ruime 1,3inch-kleurenscherm van 260 × 260 pixels zijn er een heleboel functies toegankelijk. Denk onder andere aan een calorieënteller, hartslagmeter, bloedzuurstofmeter, slaapmonitor, snelheidsmeter, stappenteller en stopwatch. De Forerunner 255 Music toont ook meldingen van een verbonden smartphone. Krijg je bijvoorbeeld een WhatsApp-bericht, dan gaat de weerbestendige behuizing kortstondig trillen. Tot slot gebruik je deze veelzijdige smartwatch ook om contactloos te betalen.

Lees ook: Dit zijn de 9 sporten waarmee je het makkelijkst afvalt

Polar Pacer Pro

Zoek je een licht sporthorloge met zéér veel functies? Kijk dan eens naar de Polar Pacer Pro. Wegens het gewicht van 41 gram voel je dit apparaatje amper zitten. In de horlogekast van 45 millimeter is er een 1,2inch-kleurenscherm van 240 × 240 pixels verwerkt. Het display is voorzien van Gorilla Glass en gaat dus niet zomaar stuk. Verder is de behuizing waterdicht tot een diepte van vijftig meter. In het menu staan er ruim 150 sportprofielen voor je klaar. Fijn is dat deze smartwatch ook allerlei 'exotische' sporten ondersteunt, zoals (kite)surfen, rolschaatsen en skiën. Zodra je een keuze hebt gemaakt, monitort de Pacer Pro diverse sportieve prestaties.

Onder de motorkap bevindt zich een gps-chip, zodat deze smartwatch overal ter wereld je locatie kan bepalen. Handig is dat je routes van de bekende app Komoot kunt synchroniseren. Kijk voor routeaanwijzingen voortaan op je pols. Verder werkt de Pacer Pro ook naadloos met de veelgebruikte sport-app Strava samen. Hoewel Polar in zijn eigen webwinkel een tarief van 349,90 euro hanteert, vragen diverse andere bekende webshops minder dan tweehonderd euro. Kies tussen de kleurstellingen zwart, wit en goud.

Samsung Galaxy Fit3

De Samsung Galaxy Fit3 schaf je voor minder dan zes tientjes aan! Dit goedkope sporthorloge is te koop in de kleurstellingen zwart, zilver-wit en roze. Ondanks zijn lage prijskaartje toont het langwerpige 1,6inch-amoledscherm van 256 × 402 pixels diverse gegevens. Zo zie je hoeveel stappen je hebt gezet. De achterzijde van de horlogekast heeft ook nog sensoren om je bloedzuurstof en hartslag te meten. Druk aan de zijkant op de homeknop en kies uit ruim honderd sportoefeningen. De Galaxy Fit3 analyseert desgewenst ook je slaapgedrag. Maak je onverhoopt een lelijke uitglijder? Dankzij valdetectie schakelt de polsassistent jouw SOS-contactpersonen in.

Dit lichtgewicht sporthorloge van 18,5 gram neem je overal mee naartoe. De IP68-gecertificeerde behuizing is namelijk volledig waterdicht. Verbind de Galaxy Fit3 via bluetooth met een smartphone voor nog meer functies. Je kunt dan bijvoorbeeld de muziekweergave bedienen en zien wie er belt. De smartwatch toont ook inkomende berichten. De oplaadbare batterij van 208 mAh gaat op een enkele acculading volgens Samsung tot dertien dagen mee.

Dat een wasmachine zonder moeite vuile was schoon krijgt, spreekt voor zich. Toch kan een kleine natuurlijke hulp extra verschil maken. Geen chemisch middel, maar iets wat je waarschijnlijk al in huis hebt: citroensap. Dat zorgt voor een frissere was, een schonere trommel en een beter onderhouden machine.

Hoewel de meeste wasmachines hun werk prima doen, kun je ze met een beetje citroensap een handje helpen. Dit natuurlijke zuur werkt verrassend effectief tegen vuil, kalk en bacteriën. Hieronder lees je vijf manieren waarop citroen je was én je machine schoner, frisser en duurzamer maakt.

1. Verwijdert zeepresten

Na het wassen blijft er vaak wat wasmiddel of wasverzachter achter in de trommel of in je kleding. Het gevolg? Je wasmachine kan muf gaan stinken, net zoals de was die uit zo'n machine komt. Een scheutje citroensap in het bakje voor de wasverzachter helpt om die resten los te weken. Zo blijft je wasmachine schoon en ruikt je was écht fris.

2. Neutraliseert nare geuren

Citroensap werkt licht antibacterieel en neutraliseert geuren. Dat is vooral handig bij sportkleding, handdoeken of keukenlinnen dat snel minder fris ruikt. Citroen maakt je was dus niet alleen schoner, maar ook frisser.

©africa-studio.com (Olga Yastremska and Leonid Yastremskiy)

3. Werkt tegen hard water

Woon je in een gebied met hard water, dan merk je dat wasmiddel minder goed schuimt en kleding stugger aanvoelt. Citroenzuur bindt kalkdeeltjes, waardoor het water zachter wordt en het wasmiddel beter zijn werk doet. Zo bescherm je zowel je kleding als de binnenkant van je machine tegen kalkaanslag.

🍋 Onderhoudstip: laat eens per maand een lege wasmachine draaien op 60 graden met een scheut citroensap. Zo voorkom je kalkaanslag en blijft de binnenkant fris.

4. Houdt wit écht wit

Citroensap heeft een mild blekend effect dat witte kleding helderder maakt zonder het risico van verkleuring. Vooral fijn voor lakens, T-shirts en handdoeken. Anders dan chloor is citroensap veilig voor de meeste stoffen* en vriendelijker voor je huid én het milieu.

5. Zorgt voor zachtere kleding

Heb je snel last van wasverzachter of vind je de geur te sterk? Citroensap verzacht het water op een natuurlijke manier, zonder kunstmatige toevoegingen. Zo blijft je kleding soepel en zacht, ook zonder de synthetische stoffen die in veel wasverzachters zitten. Dat is prettiger voor gevoelige huid én beter voor het milieu, omdat er minder chemische resten in het afvalwater terechtkomen.