Die Entwicklung moderner Computerhardware gelangt langsam an ihre Grenzen. Immer aufwendiger wird die Entwicklung neuer Fertigungsprozesse, um immer mehr Transistoren auf gleichem Raum unterzubringen. Schon länger wird daher eifrig an neuen Materialien und anderen Optionen geforscht, um die Limits von Silizium und Co zu überwinden.

Vielversprechendes melden nun Forscher der University of Michigan, der Universität Regensburg und der Universität Marburg. Sie haben einen Schritt in Richtung "Lichtwellen-Elektronik" gemacht. Diese könnte künftig in Computern stecken, deren Leistungsfähigkeit heutige Rechner weit hinter sich lässt.

Kristalle statt Silizium

Schleust man Elektronen durch übliche Halbleiter, kollidieren diese mitunter, was Abwärme erzeugt und sich negativ auf die Effizienz auswirkt. Schickt man die Elektronen stattdessen mithilfe von kurzen Laserpulsen durch Kristalle aus Gallium-Selenid, trifft man nicht auf dieses Problem.

Durch die Lichtstöße in einem Abstand von weniger als 100 Femtosekunden (eine Femtosekunde ist der Zeitbereich, in dem Licht eine Distanz von 0,33 Nanometer zurücklegt) werden die Elektronen in einen höheren Energiezustand versetzt und dadurch weiter bewegt. Die Richtung lässt sich dabei mit der Ausrichtung des Kristalls zum Lichtstrahl anpassen. Somit lassen sich Elektronen auch innerhalb eines Kristalls in verschiedene Richtungen lenken.

Fallen die Elektronen wieder zurück in einen niedrigeren Energiezustand, geben sie selbst Lichtimpulse ab, die jedoch viel kürzer ausfallen. Diese lassen sich nutzen, um schnell Informationen in umliegende Elektronen zu schreiben oder Daten auszulesen. Auch dieser Prozess lässt sich mit der Ausrichtung der Kristalle steuern.

Quantencomputer-tauglich

Weil Femtosekunden-Laser schnell genug sind, um Elektronen auch zwischen ihren energetischen Zuständen zu erwischen, birgt diese Methode auch Chancen für die weitere Forschung an Quantencomputern. In einem Experiment konnte man etwa ein Elektron gleichzeitig in zwei angeregte Zustände versetzen und somit als Qubit nutzen. Während traditionelle Rechner nur zwei in Form von Bits angezeigte Zustände – dargestellt als 1 und 0 – kennen, gibt es dank Überlagerung im Quantencomputing auch Zwischenformen.

Riesiges Potenzial

Ihre Erkenntnisse haben die Wissenschafter im Journal "Nature Photonics" publiziert. Bis sich die Forschungsarbeit in Entwicklung neuer Hardware niederschlagen könnte, werden wohl noch einige Jahre ins Land ziehen. Das Potenzial ist allerdings groß, erklärt Rupert Huber von der Uni Regensburg, der das Experiment geleitet hat.

"Wir und andere Gruppen haben in den letzten paar Jahren herausgefunden, dass man Elektronen mit […] extrem kurzen Lichtimpulsen durch Festkörper bewegen kann. Jeder war sofort aus dem Häuschen, denn eines Tages könnte man dieses Prinzip dazu nutzen, Computer mit bisher unbekannter Geschwindigkeit zu bauen, die zehn- bis hunderttausendmal schneller sind als heutige State-of-the-Art-Elektronik." (gpi, 28.3.2017)