Faszination Technik Wie Computer eine Million Mal schneller rechnen können

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Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: die Lichtwellen-Elektronik, bei der jede Femtosekunde ein Stromimpuls durch die Schwingung einer Lichtwelle erzeugt wird.

Sollen komplexe wissenschaftliche Modelle am Computer simuliert werden, beansprucht das viel Rechenleistung und Zeit. Verantwortlich für die Geschwindigkeit der Rechenoperation sind sogenannte Feldeffekttransistoren. Um schneller rechnen zu können, werden diese immer weiter verkleinert, so dass möglichst viele Transistoren auf Computer-Prozessoren nebeneinander angeordnet werden können. So arbeiten Computer heute schon mit Taktraten von mehreren Gigahertz, also mehreren Milliarden Rechenoperationen pro Sekunde. Die neusten Transistoren sind nur noch 0,000005 Millimeter groß, das entspricht nur wenigen Atomen. Viel kleiner geht es nicht mehr.

Elektrische Signale mit Licht steuern

Physiker forschen deshalb daran, elektrische Signale mit Licht zu steuern. Da eine Schwingung einer Lichtwelle nur etwa eine Femtosekunde dauert – das entspricht dem millionsten Teil einer milliardstel Sekunde – könnten durch Petahertz- bzw. Lichtwellen-Elektronik die Rechenoperationen zukünftiger Computer eine Million Mal schneller werden. Wissenschaftler vom Lehrstuhl für Laserphysik der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) konnten das nun gemeinsam mit Kollegen der University of Rochester in New York erstmals in einem Experiment demonstrieren. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

Wie aus Lichtwellen schnelle Stromimpulse werden

Grundsätzlich geht es in der Elektronik darum, Signale und Daten in Form von logischen Informationen, also den Zahlen 0 und 1, zu übermitteln und zu verarbeiten. Diese Signale können zum Beispiel die Form eines Strompulses haben.

Wie die FAU mitteilt, richteten die Forschenden ultrakurze Laserimpulse auf eine winzige Struktur aus Graphen und Gold-Elektroden. Die Laserimpulse stießen die Elektronen im Graphen an, die sich dann wellenartig auf die Gold-Elektroden zubewegten. Sie können dort als Stromimpuls gemessen und als Information verarbeitet werden. Je nachdem wo der Laserimpuls auf der Oberfläche auftrifft, breiten sich die Elektronen-Wellen unterschiedlich aus. Dadurch entstehen zwei Arten von Stromimpulsen aus sogenannten realen und virtuellen Ladungsträgern. Diese zwei Arten von messbaren Stromimpulsen können logischen Informationen in Form von 0 und 1 zugeordnet werden.

Umsetzung in ultraschnellen logischen Gattern

Die Laserphysiker der FAU zeigten im Experiment erstmals, dass man mit dieser Methode ein logisches Gatter – das Schlüsselelement für Rechenoperation im Computer – betreiben kann: Das logische Gatter regelt, wie die eingehenden Informationen in Form von 0 und 1 verarbeitet werden. Das Gatter benötigt dafür zwei Eingangssignale, also Elektronen-Wellen aus realen und virtuellen Ladungsträgern, angeregt durch zwei synchronisierte Laserimpulse. Je nach Richtung und Stärke der zwei Wellen addiert sich der resultierende Stromimpuls oder wird ausgelöscht. Das elektrische Signal, das die Physiker messen, entspricht also erneut einer logischen Information 0 oder 1.

Bis diese Technik in einen Computerchip eingesetzt werden kann, wird es vermutlich noch sehr lange dauern. Aber immerhin weiß man jetzt, dass Lichtwellen-Elektronik nicht nur theoretisch funktioniert, sondern auch praktisch möglich ist.

Zur Originalpublikation in der Fachzeitschrift Nature

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