Den svenska fabriken som bygger delar till världens kvantdatorer

2022-07-21 06:00  

Göteborgsbolaget Low Noise Factory gör inte mycket väsen av sig. Men de har utvecklat en helt unik produkt som används i radioteleskop och kvantdatorer världen över.

2019 slog Google på stora trumman. Bolaget påstod sig ha utvecklat en kvantdator som kunde lösa ett beräkningsproblem snabbare än någon superdator på jorden. De sa sig ha uppnått så kallad kvantöverlägsenhet

Rapporten blev minst sagt kontroversiell, och det utbröt en hätsk debatt om huruvida Google verkligen lyckats. Men en sak framgick i alla fall tydligt i den vetenskapliga artikel där Google-forskarna presenterade sina omdiskuterade framgångar. De använde sig av lågbrusförstärkare från det lilla Göteborgsbolaget Low Noise Factory.  

Det är speciella förstärkarenheter som tack vare att de genererar så lågt internt brus kan förstärka väldigt svaga signaler. Ett område där LNF hittat en egen nisch. 

Företaget är nästan helt ensamma i världen om att kommersiellt leverera kryogena lågbrusförstärkare, som opererar i temperaturer nära den absoluta nollpunkten. En komponent som behövs i de flesta kvantdatorer och i stora radioteleskop. 

Läs mer: ”Diamant-chip” kan lagra data motsvarande en miljard bluray-skivor

På skärmen syns en förstorad bild av en av transistorerna på en lågbrusförstärkare. Foto: Julia Sjöberg

En förstärkare kan kosta 75 000 kronor

– Branschen är extremt prestandaorienterad. Den som har näst bäst lågbrusförstärkare säljer nästan inga alls, säger Low Noise Factorys vd och grundare Niklas Wadefalk.  

Och både han och branschen verkar eniga. Low Noise Factory är världsbäst, och deras förstärkare säljs för ett styckpris på mellan 35 000 och 75 000 kronor.  

Niklas Wadefalk får inte lov att avslöja namnet på några kvantdatorkunder. Google-rapporten är ett ovanligt transparent dokument i en annars hemlighetsfull bransch. Men han konstaterar att alla kvantdatorer som använder sig av det fysiska fenomen som kallas för Josephson-övergångar behöver lågbrusförstärkare. Det är det vanligaste sättet att bygga kvantdatorer i dag, och Low Noise Factory har nästan hundra procent av den marknaden. 

Det betyder att de förstärkare som sitter i de kvantdatorer som byggs hos techjättar som Google, IBM, Alibaba, AWS och Microsoft med stor sannolikhet är handbyggda i Low Noise Factorys lokaler i Göteborg. 

Läs mer: Kvantsammanflätning kan göra atomuret mer exakt

Niklas Wadefalk grundade Low Noise Factory 2005 och tillverkade de första förstärkarna hemma i sitt sovrum. Foto: Julia Sjöberg

Byggde första förstärkarna i sovrummet

Niklas Wadefalk började sin karriär som forskningsingenjör på Chalmers. Universitetet hade länge ägnat sig åt forskning om kryogena lågbrusförstärkare, och byggde enstaka enheter vid behov, som till den svenska satelliten Odin som sköts upp 2001

Samma år fick Niklas Wadefalk jobb på det prestigefulla universitetet Caltech i Kalifornien där han vidareutvecklade designen på lågbrusförstärkare. Han kom att arbeta ihop med SETI-institutet, som ägnat sig åt att söka efter tecken på liv i universum. 

Där pågick arbetet med att planera och så småningom bygga det som i dag kallas för Allen Telescope Array. Ett radioteleskop som en så länge består av 42 antenner och har finansierats av Microsoft-grundaren Paul Allen, och vars syfte är att söka efter liv i rymden.  

– Jag tillbringade fem år där och när jag skulle flytta hem till Sverige fick jag en fråga från Jill Tarter som var chef på SETI-institutet och undrade om jag kunde bygga förstärkarna till arrayen hemma i Sverige. Det var så det började, det var ju svårt att säga nej, säger Niklas Wadefalk. 

Han gjorde slag i saken och 2005 grundade han Low Noise Factory. Den ursprungliga fabriken, där han byggde de första förstärkarna, hamnade i hans sovrum i lägenheten på Mölndalsvägen.  

– Jag ställde en trådbondare (en maskin för att sammanfoga halvledarkomponenter, reds. anm.) och ett mikroskop i sovrummet, och sov på golvet i vardagsrummet, berättar Niklas Wadefalk.

Läs mer: Hur tas en bild av ett svart hål – och vad är det vi ser?

Low Noise Factorys teknikchef Jörgen Stenarson och vd Niklas Wadefalk. Foto: Julia Sjöberg

Doldisen omsätter 100 miljoner kronor

På de 17 år som gått sedan dess har det hänt en hel del. Även om lokalerna på Lyckholms fabriker bara ligger några hundra meter från lägenheten där allt började. Bolaget har numera 15 anställda som utvecklar och tillverkar lågbrusförstärkare. 

I ena änden av byggnaden arbetar en handfull produktionstekniker med att omsorgsfullt bygga ihop lågbrusförstärkarna. LNF använder transistorer som de själva tillverkar i Chalmers renrum. De är små som sandkorn och lyfts med en stadig hand med hjälp av pincett för att sedan placeras och monteras i förstärkarna.  

I dag kan varje anställd i produktionen tillverka i snitt två lågbrusförstärkare om dagen, och förhoppningen är att på sikt kunna automatisera delar av produktionslinan för att kunna öka kapaciteten. 

Helena Hanso är produktionstekniker på Low Noise Factory. Varje person i tillverkningen kan i snitt producera två lågbrusförstärkare om dagen. Förhoppningen är att kunna öka takten genom att automatisera delar av processen. Foto: Julia Sjöberg

Varje enhet genomgår också rigorösa tester både i rumstemperatur och nedkylda till 4 kelvin. Allt för att säkerställa att de fungerar som utlovat. 

I dag levererar Low Noise Factory ungefär 2 000 förstärkare om året, och hade under 2021 en omsättning på strax över 100 miljoner kronor. Utan att ha tagit in en enda krona i riskkapital på vägen.  

– Trenden är att vi fördubblar omsättningen ungefär vartannat år, säger Niklas Wadefalk. 

Kommer den att hålla i sig? 

– Jag hoppas inte det, säger Niklas och skrattar. Då måste vi flytta kontoret igen. Nu är företaget lagom stort. Men det sa jag å andra sidan när vi bara var fem anställda också. 

Läs mer: Amaras lag: Myten om kvantdatorer

Varje förstärkare testas först i rumstemperatur och sedan vid 4 grader kelvin. LNF beskriver sin testanläggning som en av de mest avancerade i Sverige. Foto: Julia Sjöberg

Ska leverera förstärkare till SKA

Fast hur stort Low Noise Factory blir bestäms kanske framförallt av yttre faktorer. När bolaget startade var det radioteleskop som behövde förstärkare. Men i dag står tillverkare av kvantdatorer för merparten av försäljningen, och om LNF vill behålla sin sits som ensam spelare gäller det att kunna leverera så många enheter som efterfrågas. 

– Marknaden styr hur stora vi är. Vi är i princip helt ensamma om det här, och vi måste nästan följa efterfrågan om vi ska förbli det. Gör vi inte det släpper vi in andra, säger Niklas Wadefalk.  

Och marknaden kommer att vilja ha fler förstärkare. Det handlar inte bara om att kvantdatorerna blir allt mer kraftfulla och därmed kräver fler lågbrusförstärkare. Low Noise Factory är ett av företagen som kommer att vara med och leverera teknik till Band 1 i det jättelika SKA-observatoriet som ska byggas i Sydafrika och Australien. Med en planerad mottagararea på en kvadratkilometer kommer observatoriet att bli världens största forskningsanläggning. 

– Den första fasen skulle innebära 400-500 förstärkare per band, i dag tillverkar vi runt 2 000 per år. Så det är rätt mycket. Men sen hoppas vi att de på sikt ska bygga 4 000 antenner och då behöver det många tusentals förstärkare, säger Niklas Wadefalk.

Här testar LNF en av förstärkarna som är tänkt att användas i SKA-observatoriet. Foto: Julia Sjöberg

Radioteleskop används för att fånga upp mycket svaga signaler som färdats ljusår genom rymden. De stora parabolantennerna samlar in dessa signaler och fokuserar dem till en punkt, och där sitter den lilla förstärkaren.  

– Men signalen är så otroligt svag att man behöver en förstärkare med lågt brus. All elektronik genererar brus, och är bruset högre än signalstyrkan så kommer signalen att helt drunkna i bruset, säger Niklas Wadefalk. 

Läs mer: Observatoriet ska ge en störtflod av rymddata

En wafer med Low Noise Factorys egenbyggda transistorer. Produktionsteknikerna flyttar dem manuellt med hjälp av en pincett från wafern till förstärkarna. Foto: Julia Sjöberg

Hemligheten sitter i transistorn

Hjärtat i de kryogena lågbrusförstärkarna är de egenutvecklade HEMT-transistorerna i indiumfosfid (InP). Det är en halvledare som presterar bra i temperaturer nära den absoluta nollpunkten, och har bra egenskaper för att hantera högfrekvent radiokommunikation. 

Genom designen och kylan kan Low Noise Factory eliminera mycket av det brus som uppstår i vanlig elektronik. En typisk lågbrusförstärkare har en brusfaktor på kring 3 decibel, medan Low Noise Factorys senaste modell ligger på 0,02 decibel. Men det ställer höga krav på material och teknik. 

– Det gäller att tänka på materialet i alla komponenter så att det inte är för sprött och spricker vid så låga temperaturer och kraftiga temperaturvariationer, säger LNF:s teknikchef Jörgen Stenarson. 

Samtidigt sker en ständig utveckling av bolagets teknik, ofta i forskningssamarbeten med Chalmers. Stora delar av personalen har också rekryterats från universitetet.  

Förutom brusreducering strävar Low Noise Factory efter att minska effektutvecklingen i chipen. De små transistorerna genererar värme vid driften. I rumstemperatur hade det knappt varit nämnvärt, men när driftmiljön ska kylas ner till runt 4 kelvin (ungefär -269 grader Celsius) blir all värmeutveckling dyr och problematisk. Tillräckligt många energihungriga förstärkare skulle kunna värma upp hela den nedkylda miljön. 

En egenkonstruerad kryobox där upp till fyra lågbrusförstärkare kan testköras i 4 grader kelvin. Foto: Julia Sjöberg

Läs mer: Hemlig startup visar kvantsimulator på 256 bitar 

Svårt att härma framgången

Under åren har LNF genomfört otaliga små justeringar som reducerat bruset. I vissa fall kan även minimala förändringar ha mätbar effekt. Resultatet av ett nyligen avslutat forskningsprojekt med Chalmers blev att bolaget kunde förbättra sina transistorer – genom att flytta ett plan av kiselatomer två nanometer.  

Det är också den här gradvisa utvecklingen som gjort att Low Noise Factory kunnat fortsätta ligga i framkant. De lågbrusförstärkare de säljer i dag bygger på årtionden av forskning och dryga 15 år av att testa sig fram. 

– Det är många “lessons learned the hard way”, konstaterar Niklas Wadefalk. 

– Vi har inga patent på någonting. Man kan säga att det är skyddat av att det är så otroligt svårt att tillverka de här transistorerna och ju mindre vi avslöjar för konkurrenterna desto bättre. Så även om en konkurrent skulle komma över en av våra kretsar skulle de inte kunna kopiera dem på ett enkelt sätt. Hemligheten ligger djupt nere i transistorn. 

Fakta: Low Noise Factory

Gör: Utvecklar och tillverkar kryogena lågbrusförstärkare för bland annat kvantdatorer och radioteleskop.  

Grundades: 2005 av Niklas Wadefalk. 

Ort: Göteborg. 

Anställda: 15. 

Omsättning: 101 miljoner kronor (2021). 

Simon Campanello

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt