Eine Billion Schaltoperationen pro Sekunde Rechnen mit der Kraft des Photons

Autor / Redakteur: Michael Matzer / Ulrike Ostler

Forscher von IBM Research Europe und ihre Partner haben einen lichtgesteuerten Schalter entwickelt, der die Datenübertragung erheblich beschleunigen und zugleich den nötigen Energieaufwand senken kann. Künftige Endgeräte, aber auch Quantencomputer, könnten viel schneller rechnen, während ihre Energieversorgung viel länger reicht. Nötig sind dafür nur ein paar Teilchen des Lichts: Photonen.

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So funktioniert der Photonenschalter im einzelnen. Ein schwacher Laser (oben) und ein starker Laser (links oben) schicken Photonen in Substrat, das eine dünne Schickt Polaritonkondensat enthält. Diese Schicht schaltet zwischen 1 und 0 und erzeugt damit Signale, die sich verarbeiten lassen.
So funktioniert der Photonenschalter im einzelnen. Ein schwacher Laser (oben) und ein starker Laser (links oben) schicken Photonen in Substrat, das eine dünne Schickt Polaritonkondensat enthält. Diese Schicht schaltet zwischen 1 und 0 und erzeugt damit Signale, die sich verarbeiten lassen.
(Bild: © IBM)

Der 'Lichtschalter' besteht aus zwei Laserstrahlen. Der erste ist schwach und dient nur dazu, den zweiten zu steuern. Der zweite ist stark und somit in der Lage, durch ein- und Ausschalten – was Nullen und Einsen entspricht - Informationen zu übertragen.

Der Kanal, den dieser Laser nutzt, ist eine Mikrohöhlung von gerade mal 35 Nanometern Dicke, die in eine nichtleitende Hülle eingebettet ist. Die Mikrohöhlung besteht aus einem organischen Polymer, das als Halbleiter fungiert, um das Licht in eine Richtung zu leiten. Nötig sind nur ein paar Photonen, um den Schalter zu betätigen.

Das Forschungsteam, das den Photonenschalter am IBM Research Center Zürich entwickelte.
Das Forschungsteam, das den Photonenschalter am IBM Research Center Zürich entwickelte.
(Bild: © IBM)

Die Geschwindigkeit, mit der dieser Schalter arbeiten kann, ist erstaunlich hoch. Die Schaltung dauert nur eine Picosekunde, so dass binnen einer Sekunde eine Billion Schaltoperationen getätigt werden können. Das ist etwa hundert Mal schneller als die leistungsfähigsten elektrischen Schaltkreise heute bewältigen können.

Viele Vorteile

Im Gegensatz zu etwa Quantenrechnern müssen Lichtschalter nicht gekühlt werden, sondern werkeln bei Zimmertemperatur. Das bedeutet, dass man sie auf einfachste Weise skalieren kann, um maximale Leistung zu erbringen: Man schaltet viele Schalter aneinander.

Der Lichtschalter überträgt nicht nur Informationen, er kann das nötige Trägersignal auch verstärken. Im Verstärkermodus kann ein eintreffender Laserstrahl um den Faktor 23.000 intensiviert werden. Das bedeutet, dass er sich über entsprechende Glasfaserleitungen entsprechend weit übertragen lässt. Der Energieverbrauch, um Schaltung und Verstärkung mit ein paar Photonen zu realisieren, beträgt nur ein Zehntel der sparsamsten elektrischen Transistoren: ein Attojoule.

Darius Urbonas vom IBM Research Lab schreibt in seinem Blog über den Lichtschalter: „Zwar gibt es Transistoren, die mit einem Attojoule auskommen, doch diese arbeiten nur mit einem einzigen Elektron und nie bei Zimmertemperatur.“ Indes seien die Materialien hinsichtlich des Stromverbrauchs bislang suboptimal, deshalb erwäge man die Verwendung von dreidimensionalen Nanokristallgittern anstelle des organischen Polymers.

Lichtphotonen aus einem Laser passieren ein Substrat, das eine andersartige Lücke (braun) enthält: ein Polaritonkondensat.
Lichtphotonen aus einem Laser passieren ein Substrat, das eine andersartige Lücke (braun) enthält: ein Polaritonkondensat.
(Bild: © IBM)

Diese hätten den Vorteil, dass sie auf der Quantenebene den Effekt der Superfluoreszenz erzeugen. Bei einer Superfluoreszenz kooperieren die lichtaussendenden Teilchen miteinander und erzeugen eine Lichtstärke, die um ein Vielfaches höher ist, als die Summe der Einzelquellen. Damit lässt sich die Lichtstärke etwa in LED-Geräten oder im Quantenrechenbereich vervielfachen. Mutter Natur hilft also mit, Strom zu sparen.

Der Hintergrund

Der Lichtschalter, der im Rüschlikon-Labor von IBM Research Europe entwickelt wurde, basiert auf den vor zwei Jahren erzielten Resultaten mit Exciton-Polaritonen. Diese kurzlebigen Quasiteilchen ermöglichten den ersten ultraschnellen Transistor in der Photonik.

Sie ermöglichen das Setzen von Null- und Eins-Zuständen im Lichtschalter. 'Null' entspricht dem Vorhandensein von keinen oder sehr wenigen Excitonen, 'Eins' erfordert die Existenz vieler Excitonen im niedrigsten Energiezustand. Die beiden oben erwähnten Laserstrahlen sorgen dann dafür, dass durch die Schaltung zwischen Null und Eins ein Signal entsteht, das in der Lage ist, eine Information zu übertragen.

Die Vorgeschichte

Der jüngste Lichtschalter ist Teil eines Baukastens aus optischen Bauteilen, die IBM Research in jüngster Zeit angesammelt hat. Zu diesem Baukasten gehört ein siliziumbasierter Wellenleiter für sichtbares Licht, der in der Lage ist, optische Signale zwischen Transistoren hin und her zu schicken. Damit lassen sich Rechenoperationen zwischen lichtgestützten Bauteilen einer künftigen Rechnerarchitektur erledigen, die eine entsprechend höhere Geschwindigkeit erzielen könnten als ein auf Silizium und Elektronen basierende Architektur.

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