Wissenschaft

FORSCHUNG UND TECHNIK

Rasante Elektronen-Talfahrt

Deutsche Forscher haben ein Verfahren entwickelt, das Computer in Zukunft eine Million Mal schneller machen könnte als derzeit. Wie das funktioniert? Sie geben Elektronen einen kleinen „Klaps“.

Das olympische Motto des Höher, Schneller, Weiter nach immer neuen Rekorden hat zumindest in der Computertechnik neue Bestätigung erhalten. Forscher der Universitäten Marburg und Regensburg haben ein Rechenverfahren entwickelt, das Computer bald um eine Million Mal schneller rechnen lassen könnte als derzeit.

Aktuell liegen typische Taktzeiten eines handelsüblichen Computerprozessors im Bereich von Gigahertz. Das sind eine Milliarde Rechenschritte pro Sekunde. Die Designer stoßen hier allerdings an eine Grenze: Für schnellere Prozessoren lassen sich die Schaltkreise und Schalterelemente – die Transistoren – kaum weiter miniaturisieren. Ein Ausweg könnte sein, den Elektronen einen kleinen „Klaps“ zu geben, damit diese sich rascher in den Halbleiterbauteilen bewegen.

Genau das ist den Forschern jetzt gelungen. Mittels ganz kurzer Lichtblitze können sie Elektronen in bestimmten Materialsystemen zwischen Zuständen, die in der Computertechnik als „0“ und „1“ bezeichnet werden, hin und her schalten. Und das schon mit einem einzigen Wellenzug des Laserpulses. Da der Puls im Bereich von Femtosekunden, also dem millionstel milliardstel Teil einer Sekunde, aufblitzt, liegt die Schaltzeit des Elements bei einer Million Gigahertz.

Die Forscher um Robert Huber von der Universität Regensburg und Stephan Koch von der Universität Marburg betrachten dazu ein ganz spezielles Materialsystem. Der Halbleiter besteht wie das Wundermaterial Graphen aus einer hauchdünnen, flächigen, nur eine Atomlage dicken Schicht – allerdings nicht aus Kohlenstoff wie beim Graphen, sondern aus einer Kombination zweier Bausteine: Wolfram und Selen (WSe2).

Wie ein Eierkarton

Das hat zur Folge, dass die Energielandschaft des Materials aussieht wie ein Eierkarton. Und genauso wie in einer realen Landschaft Flüsse und Seen in den Tälern zwischen Gebirgen dem tiefsten Punkt zustreben, so ordnen sich auch die Elektronen an den tiefsten Stellen – also den Tälern dieses Eierkartons – an.

Mit Laserpulsen können Robert Huber und seine Regensburger Experimentalgruppe die Elektronen manipulieren und von Tal zu Tal schieben. Ein von Elektronen geleertes Tal entspricht dann computertechnisch dem Zustand „0“ und ein Tal mit hoher Elektronenpopulation der „1“. Die Fachleute sprechen hier auch von einer speziellen Form der Elektronik, der sogenannten „Valley-tronic“ – „Valley“ heißt auf Deutsch Tal.

Innerhalb einer Femtosekunde „können wir hin und her schalten zwischen den Tälern“, erläutert der theoretische Physiker Stephan Koch, der mit seinem Team die Computerberechnungen dazu gemacht hat. „Wir haben nun erstmals gezeigt, dass das funktioniert und dass wir eine Million Mal schneller sein können.“

Das ist allerdings hehre Grundlagenforschung. Eine Anwendung ist noch Jahre entfernt, wie etwa das kuriose Beispiel der Herstellung der Wolfram-Selenid-Schichten zeigt. „Die Experimentalphysiker ziehen die Schicht mit dem Tesafilm vom Material ab“, erklärt Koch. Also: Handarbeit. Die Forscher erhalten dann sogenannte Flakes – ähnlich den „Cornflakes“, nur eben hauchdünn und hauchzart aus dem Halbleitermaterial. „Auf einem Flake hat man Milliarden dieser Schalter“, erläutert Grundlagenforscher Koch. Wie man die Schichten für eine Chip-Produktion prozesssicher herstellen kann, das steht noch in den Sternen und ist eine zukünftige Herausforderung für Ingenieure.

Zwei Dinge sprechen aber stark für die neue Technologie: Zum einen ist sie sehr widerstandsfähig gegen äußere Störungen. Und zum anderen erlaubt sie auch einen fließenden Übergang vom klassischen Computer zum Quantencomputer.

Zu den wichtigsten äußeren Störungen von IT-Systeme zählt die Temperatur. Sie sorgt für eine ungewollte Eigenbewegung der Elektronen und für ein Verwischen sowie für Ungenauigkeiten in den physikalischen Prozessen. Deswegen müssen Hochleistungscomputer gekühlt werden, und viele Testsysteme für Quantencomputer arbeiten nur bei Tieftemperatur.

Robustes System

Die „Valley-tronic“ ist hingegen so robust gegen Störungen bei Raumtemperatur wie ein Segelboot auf einem See kaum durch die Mini-Wellen eines Steinwurfs in Bedrängnis gerät. „Bei der Robustheit haben diese Systeme einen klaren Vorteil“, meint Koch.

Da die Forscher die Elektronen per Laserpuls beliebig in die Täler „0“ und „1“ verschieben können, ist auch jede mögliche Aufteilung oder Mischung möglich. Das ebnet den Weg zu Testsystemen für Quantencomputer bei Raumtemperatur, die nicht mehr mit Null und Eins der klassischen Elektronik arbeiten, sondern mit beliebigen Überlagerungen der Zustände solcher dann Quantenbits genannten Recheneinheiten.

Durch diese Überlagerung von Zuständen können Quantencomputer viele Rechenaufgaben parallel ausführen. Wofür klassische Computer Tausende Jahre benötigten, gelänge mit dem Quantencomputer in Sekundenschnelle. „Wir stehen hier technologisch noch am Anfang“, meint Koch. Doch wie im schnelllebigen IT-Bereich üblich: „Der Durchbruch kann in kurzer Zeit geschehen.“

Materialien wie Wolfram-Selenid werden derzeit in vielen Forschungslabors untersucht. Die hauchdünnen Monolagen von Atomen oder Atomverbindungen stehen beispielsweise im Mittelpunkt des Sonderforschungsbereichs 1083 „Innere Grenzflächen“ an der Universität Marburg. Dort untersuchen Forscher die elektronischen und optischen Eigenschaften von Atomlagen. „Ganz spannend wird’s“, meint Koch, „wenn wir die Monolagen unterschiedlicher Zusammensetzung aufeinanderstapeln.“ Dann können die Forscher die Materialeigenschaften beliebig zuschneiden und wie mit einem Lego-Baukasten zusammen setzen.