Quantumcomputers kunnen niet zonder de technologie van MicroAlign

Een menselijke haar kan wel 100 micrometer (µm) dik zijn, net zoveel als een standaard optische vezel. Stel je nu eens voor dat je er heel veel dicht bij elkaar plaatst, met een precisie die 1000 keer kleiner is dan de dikte van een haar. Dat is precies wat MicroAlign, een fotonica-startup uit Eindhoven, dagelijks doet. Ze werken aan een probleem dat bij velen onbekend is, maar dat toch de basis vormt voor enkele van de meest geavanceerde computerinfrastructuren ter wereld.

“De ruimte waarin het licht zich in optische vezels voortbeweegt, is slechts enkele micrometers groot”, legt Marco Fattori uit, terwijl hij een kabel met 12 optische vezels omhoog houdt. Hij is de CTO en medeoprichter van het bedrijf. “Als je twee vezels met elkaar moet verbinden, heb je extreme nauwkeurigheid nodig, anders verstrooit het licht en gaat het verloren.”

Serie

Investment of the month

Elke maand zetten we de investeringen die ons het meest zijn opgevallen voor je op een rij.

Bekijk serie

Waarom de uitlijning van glasvezels belangrijk is

Glasvezelkabels vervoeren het grootste deel van de digitale data wereldwijd; denk aan internetverkeer, serververbindingen in datacenters en kwantumcomputers. Het licht uit een glasvezel naar chips leiden die informatie via licht coderen (fotonenchips) is een heel ander verhaal. Voor een enkele glasvezel is dit al jaren mogelijk.

Naarmate de technologie vordert, bevatten glasvezelkabels echter tientallen glasvezels die in arrays zijn gebundeld en op chips worden aangesloten. Standaard glasvezelarrays maken gebruik van een zelfuitlijningsmethode, waarbij de vezels in voorgevormde precisiekanalen, zogenaamde V-groeven, worden geplaatst. Deze methode kan echter niet het precisieniveau bereiken dat essentieel is voor veeleisende toepassingen zoals quantumcomputing.

MicroAlign zorgt voor een uitlijning van elke vezel met nanometerprecisie, waardoor het lichtverlies tijdens de transmissie tussen vezels en chips tot een minimum wordt beperkt. In quantumcomputing betekent dit dat er minder rekenfouten worden gemaakt.

Hoe werkt de MicroAlign-technologie?

De kern van de technologie van deze Eindhovense startup wordt gevormd door een vezelarray. Dit is een uiterst nauwkeurig vervaardigde kabel waarin de vele vezelkernen, waarlangs het licht loopt, tot op nanometerniveau uiterst nauwkeurig zijn uitgelijnd. Deze arrays worden aangesloten op fotonische chips, waardoor een netwerk van onderling verbonden chips ontstaat.

Maar hoe kan MicroAlign zo'n uitlijningsprecisie bereiken? Het maakt gebruik van een op MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) gebaseerde actuator die elke vezel afzonderlijk verplaatst tijdens de productie van de vezelarray.

Er wordt licht door de vezels gestuurd en in realtime gemeten; het systeem past elke vezel aan totdat het signaal maximaal is, en zet de vezels vervolgens vast met behulp van ultravioletlichtgevoelige lijm. Het hele uitlijningsproces duurt enkele minuten, en, cruciaal, die tijd neemt niet toe, ongeacht het aantal vezels in de array.

“De uitlijningstijd is hetzelfde, of je nu 12, 24 of 48 vezels hebt,” benadrukt Fattori. “Elke vezel heeft zijn eigen actuator, dus ze bewegen allemaal tegelijkertijd.” De medeoprichter zegt dat deze aanpak resulteert in prestaties die drie tot vijf keer nauwkeuriger zijn dan conventionele alternatieven.

M

Marco Fattori

CTO bij MicroAlign

Hij richtte MicroAlign in 2021 samen met Simone Cardarelli op.

Een sleutelelement voor quantumcomputers

De vezelarrays van MicroAlign bieden een aanzienlijk voordeel voor quantumcomputers. Terwijl in sommige telecomtoepassingen een zekere mate van optisch verlies acceptabel is, telt bij quantumcomputers elk foton.

“Bij quantumcomputing worden fotonen gegenereerd, en die moeten aan de andere kant aankomen zodat de rekenketen een berekening kan uitvoeren,” legt Fattori uit. “Als er onderweg wat verloren gaan, mislukt de berekening. Het systeem merkt wanneer er fotonen verloren gaan, en moet de berekening dan opnieuw doen. Hoe minder verlies je hebt, hoe groter de kans dat al je fotonen aankomen en hoe minder vaak je berekeningen moet herhalen.”

Op deze manier is de technologie van MicroAlign een enabler; zonder voldoende lage verliezen zijn sommige berekeningen niet haalbaar. Daarom zijn enkele van de eerste klanten van de start-up quantumcomputerbedrijven. Fattori benadrukt dat hun vezelarray een drop-in vervanging is voor standaardopties, wat betekent dat klanten deze direct kunnen gebruiken zonder hun opstellingen opnieuw te ontwerpen.

Van onderzoek naar impact

De oorsprong van MicroAlign gaat terug tot 2019. De twee medeoprichters, Simone Cardarelli en Marco Fattori, waren beiden bezig met hun doctoraat, respectievelijk op het gebied van fotonica en geïntegreerde schakelingen. Cardarelli deed onderzoek naar de uitlijning van optische vezels en vroeg Fattori om hulp bij het ontwikkelen van een micro-elektromechanisch systeem (MEMS).

Hun eerste tests legden de basis voor een apparaat dat nauwkeurige vezeluitlijning mogelijk maakte. Nadat het concept was gevalideerd, werd MicroAlign opgericht als een spin-off van de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e).

In de eerste twee jaar was het doel om de MEMS-uitlijningstool zelf op de markt te brengen, zodat klanten deze konden gebruiken om hun verbindingen te assembleren. Om de tool echter effectief te kunnen gebruiken, moesten klanten gedetailleerde informatie over hun chipontwerpen delen. Dat creëerde een barrière voor het delen van kennis, wat MicroAlign ertoe aanzette om de ontwikkelde technologie te gaan gebruiken om zelf vezelarrays te produceren.

Een bedrijf dat groeit – en voor nieuwe uitdagingen staat

Vandaag de dag heeft het bedrijf 20 mensen in dienst. „We bevinden ons in een overgangsfase. MicroAlign groeit, we hebben producten en klanten, en we werken ook aan de industrialisering van ons productieproces“, zegt Fattori.

Vorige maand werd het bedrijf door de European Innovation Council (EIC) geselecteerd voor een subsidie van 2,5 miljoen euro. Met deze financiering zal MicroAlign de industrialisatie van zijn productieproces voor vezelarrays versnellen, waardoor de productietijden worden verkort en de volumes worden vergroot.

Er blijven technische uitdagingen bestaan. De start-up werkt met name aan het uitbreiden van het aantal kanalen – er zijn versies met 36 en 48 kanalen in ontwikkeling – en het verkleinen van de pitch, de ruimte tussen de vezels. De industrie evolueert namelijk naar een hogere vezeldichtheid.

“Klanten met meer vezels moeten deze dichter op elkaar plaatsen”, legt Fattori uit. “Een groter chipoppervlak betekent hogere kosten en ook een groter risico dat de chip buigt of kromtrekt, wat meer verliezen met zich meebrengt. Dichtheid is echt een kwestie van kosten en betrouwbaarheid.”

Het team van MicroAlign - © MicroAlign

De industriestandaard

Fattori heeft grootse plannen en hoopt dat MicroAlign de wereldwijd toonaangevende leverancier van uiterst nauwkeurige vezelarrays wordt. Tegelijkertijd erkent hij hoe moeilijk het is om in de fotonica-industrie te werken, die qua normen en eisen behoorlijk versnipperd kan zijn.

Verschillende fabrikanten gebruiken verschillende vezels, aantallen kanalen of connectoren. Dit gebrek aan standaardisatie betekent dat er voor elke klant oplossingen op maat moeten worden ontwikkeld. “Dus het betreden van nieuwe markten betekent het ontwikkelen van nieuwe varianten van hetzelfde product voor elk verschillend vezeltype, elke verschillende specificatie. Het is alsof je op vele fronten tegelijk moet vechten,” benadrukt hij.

Voorlopig ligt de focus op het diepgaand verkennen van de markten waar de technologie het meest nodig is, het opbouwen van een trackrecord en het gebruiken daarvan om uit te breiden.

De passie voor complexe technische uitdagingen die ten grondslag liggen aan vezelarrays houdt Fattori gemotiveerd, net als de energie die hij elke dag van het team van de start-up krijgt. En deels, zegt hij, de momenten waarop een klant hem vertelt dat hun MicroAlign-vezelarray in een kwantumcomputer zit. “Dan doe je even een stapje terug en denk je: we hebben een cruciaal onderdeel van een kwantumcomputer gemaakt. Dat is een sterke bron van motivatie.”