Ytterbium: het zeldzame metaal achter de nauwkeurigste klokken en de eerste quantumcomputers
Ytterbium is een zilverkleurig metaal dat de meeste mensen nog nooit hebben gehoord, laat staan gezien. Het element staat op plek 70 in het periodiek systeem en behoort tot de groep van de "zeldzame aardmetalen": stoffen die niet per se zeldzaam zijn in de aardkorst, maar wel zelden in bruikbare, geconcentreerde vorm voorkomen. Toch duikt de naam steeds vaker op in technologienieuws, en dat heeft een simpele reden: individuele ytterbiumatomen gedragen zich als extreem precieze, natuurkundige "metronomen".
Vergelijk het met een stemvork die altijd exact dezelfde toon laat horen, hoe vaak je er ook op tikt en waar ter wereld je dat ook doet. Een elektron in een ytterbiumatoom kan tussen twee energieniveaus springen en stuurt daarbij licht uit met een frequentie die overal in het heelal identiek is. Die voorspelbaarheid maakt ytterbium geschikt voor twee heel verschillende toepassingen die allebei met "de toekomst" te maken hebben: de nauwkeurigste klokken ooit gebouwd, en de eerste generatie werkende quantumcomputers.
Wat is het precies?
Ytterbium (scheikundig symbool Yb) is een lanthanide, een groep van zeventien elementen die in de natuur bijna altijd samen voorkomen in hetzelfde gesteente en lastig van elkaar te scheiden zijn. Het werd in 1878 ontdekt door de Zwitserse scheikundige Jean de Marignac, en is vernoemd naar het Zweedse dorpje Ytterby, waar ook de elementen yttrium, terbium en erbium hun naam aan te danken hebben.
De sleutel tot alle toepassingen zit in de elektronen van het atoom. Elektronen cirkelen niet zomaar willekeurig om de atoomkern, maar bevinden zich in vaste "energieniveaus". Springt een elektron van een hoger naar een lager niveau, dan zendt het atoom licht uit met een frequentie (kleur) die precies overeenkomt met het energieverschil. Bij ytterbium is een van die overgangen extreem scherp en stabiel, wat betekent dat je die frequentie met absurde precisie kunt meten.
Die eigenschap wordt gebruikt in een optische roosterklok. Laserlicht vormt daarin een soort eierdoos van licht (het "optisch rooster") waarin duizenden ytterbiumatomen worden vastgehouden, zodat ze niet wegzweven tijdens de meting. Een tweede, extreem stabiele laser "beluistert" de energieovergang van die atomen. Omdat licht veel sneller trilt dan de microgolven die klassieke atoomklokken gebruiken, tel je in dezelfde tijd veel meer "tikken", wat de klok nauwkeuriger maakt.
Voor quantumcomputers gebruikt men niet neutrale atomen, maar ytterbium-ionen: atomen waar één elektron van is afgehaald, waardoor ze elektrisch geladen zijn. Zo'n ion kan met elektrische en magnetische velden in een vacuümkamer worden vastgehouden (een "ionenval"). Laserlicht zet de interne toestand van het ion om in een qubit, de quantumversie van een bit, die niet alleen 0 of 1 kan zijn maar ook een mengvorm daarvan.
Een derde, veel minder exotische toepassing is de ytterbium-gedoteerde vezellaser. Hierbij zitten ytterbiumatomen ingebed in de kern van een glasvezel. Pompen met licht van een bepaalde kleur brengt de atomen in een aangeslagen toestand; passerende lichtdeeltjes "trekken" die energie er als extra, identieke lichtdeeltjes uit. Zo ontstaat een krachtige, efficiënte laserbundel, zonder de scherpe frequentiezuiverheid die voor klokken nodig is.
Wat wil men ermee bereiken?
Bij klokken draait het om meer dan alleen "de tijd weten". Een optische klok die pas na miljarden jaren een seconde afwijkt, maakt het mogelijk om subtiele natuurkundige effecten te meten. De algemene relativiteitstheorie voorspelt bijvoorbeeld dat een klok iets lager in de zwaartekracht (dichter bij de aarde) langzamer loopt dan een klok net iets hoger. Met optische klokken kun je dat verschil al meten over een hoogteverschil van een paar centimeter, wat nieuwe mogelijkheden opent voor precieze hoogtemetingen ("chronometrische geodesie") en voor het testen van fundamentele natuurkunde.
Er loopt bovendien een internationaal traject om de officiële definitie van de seconde te herzien. Die is sinds 1967 gebaseerd op een overgang in cesiumatomen, gemeten met microgolven. Optische klokken zoals die met ytterbium of strontium zijn inmiddels vele malen nauwkeuriger, en het internationale bureau voor maten en gewichten (BIPM) onderzoekt een overstap, met een mikpunt ergens rond 2030.
Bij quantumcomputers is de ambitie het oplossen van problemen die voor gewone computers onhaalbaar zijn, zoals het simuleren van complexe moleculen voor medicijn- of materiaalontwikkeling, of bepaalde optimalisatievraagstukken. Ytterbium-ionen zijn bij verschillende bedrijven en onderzoeksgroepen een populaire keuze omdat ze zich relatief eenvoudig met beschikbare laserkleuren laten koelen en besturen, en omdat hun quantumtoestand relatief lang "stabiel" (coherent) blijft.
De industriële ytterbiumlasers hebben een veel nuchterder doel: sneller, preciezer en energiezuiniger metaal snijden, lassen en bewerken dan met oudere lasertypes mogelijk was.
Voorbeelden uit de praktijk
Bij JILA, een gezamenlijk instituut van de Amerikaanse University of Colorado Boulder en het National Institute of Standards and Technology (NIST), bouwt de onderzoeksgroep van natuurkundige Jun Ye al sinds de jaren 2010 ytterbium-roosterklokken die keer op keer records verbreken. Rond 2018 en daarna publiceerde de groep klokken met een nauwkeurigheid van ongeveer één deel op 10^18 — vergelijkbaar met een klok die in de gehele levensduur van het heelal niet meer dan een fractie van een seconde zou afwijken.
In Duitsland werkt de Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig aan vergelijkbare optische klokken, deels op basis van ytterbium, deels op basis van andere elementen zoals strontium. Via glasvezelverbindingen tussen Europese metrologie-instituten, waaronder een verbinding tussen PTB en het Franse SYRTE-instituut in Parijs, zijn dit soort klokken op afstand met elkaar vergeleken om hun onderlinge consistentie te controleren.
Het Amerikaanse bedrijf IonQ, opgericht door onderzoekers van de University of Maryland en Duke University, bouwt sinds 2019 commercieel beschikbare quantumcomputers op basis van ingevangen ytterbium-ionen (specifiek de isotoop ytterbium-171). Hun systemen zijn onder meer via de cloud-diensten van Amazon en Microsoft te gebruiken.
Quantinuum, ontstaan uit een fusie van Honeywell Quantum Solutions en Cambridge Quantum in 2021, bouwt eveneens quantumcomputers met ingevangen ionen en gebruikt daarbij onder andere ytterbium-ionen in combinatie met andere elementen voor bepaalde technische functies binnen dezelfde ionenval.
Op industrieel vlak levert het Amerikaans-Duitse bedrijf IPG Photonics, een van de grootste laserfabrikanten ter wereld, al sinds de jaren 2000 krachtige ytterbium-gedoteerde vezellasers voor het snijden en lassen van metaal in de auto-industrie en zware industrie.
Hoe ver is de techniek?
De drie toepassingen staan op heel verschillende punten in hun ontwikkeling. Ytterbium-vezellasers zijn allang geen labexperiment meer: het is bewezen, op grote schaal geproduceerde technologie die in fabrieken over de hele wereld draait.
Optische klokken zijn wetenschappelijk overtuigend bewezen, maar nog altijd kwetsbare, ruimte-innemende laboratoriumopstellingen. Er zijn wel transportabele prototypes getest — zo werd in 2018 een strontiumklok in een vrachtwagen vervoerd voor metingen op locatie — maar een compacte, robuuste versie die overal ter wereld hetzelfde presteert, bestaat nog niet. Voordat de seconde officieel geherdefinieerd kan worden, moeten meerdere onafhankelijke optische klokken langdurig met elkaar overeenstemmen en wereldwijd vergelijkbaar zijn, wat nog jaren aan werk vergt.
Quantumcomputers met ytterbium-ionen zijn inmiddels commercieel te huur, maar bevinden zich nog in een vroeg stadium: de aantallen bruikbare qubits liggen in de tientallen tot rond de honderd, en foutenpercentages zijn voor de meeste praktische toepassingen nog te hoog. Er is tot nu toe geen overtuigend bewijs dat deze machines al een economisch relevant probleem sneller oplossen dan de beste klassieke computers; wel zijn er op specifieke, kunstmatige testproblemen resultaten geboekt die moeilijk met klassieke hardware zijn na te bootsen. Opschalen naar veel meer ionen zonder de foutenpercentages te laten oplopen, is de belangrijkste technische horde.
Wie werken eraan?
In de Verenigde Staten zijn NIST en JILA in Boulder, Colorado toonaangevend op het gebied van optische klokken, terwijl bedrijven als IonQ en Quantinuum (met wortels bij Honeywell) voorop lopen bij ionenval-quantumcomputers. Universiteiten als Maryland, Duke en Innsbruck (Oostenrijk) leveren veel van het onderliggende onderzoek en personeel voor deze bedrijven.
In Europa doen het Duitse PTB, het Britse National Physical Laboratory (NPL) en het Franse SYRTE/Observatoire de Paris al decennialang mee vooraan in het optische-klokkenonderzoek, vaak in gezamenlijke Europese projecten. Japan draagt bij via onderzoeksinstituten als RIKEN en de Universiteit van Tokio, en ook Chinese metrologie-instituten investeren in eigen optische klokprogramma's.
Op het gebied van industriële lasers zijn naast IPG Photonics ook Duitse spelers als Trumpf en het Amerikaanse Coherent belangrijke producenten van ytterbium-gedoteerde laserbronnen.