Ein Team aus Forscher:innen der Universitäten in Rochester und Erlangen haben einen Schritt in Richtung ultraschnelle Rechenoperationen gemacht. Sie haben mithilfe von synchronisierten Laserimpulsen das schnellste Logikgatter der Welt konstruiert. Sie verarbeiten Informationen innerhalb von Femtosekunden, also eine Million mal schneller als Nanosekunden. Sollte diese Art der Lichtwellenelektronik jemals in Computern zum Einsatz kommen, könnten sie Verarbeitungsgeschwindigkeiten im Petahertz-Bereich ermöglichen, schreibt die Rochester-Uni in ihrer Mitteilung. Die Studie wurde im Fachmagazin Nature veröffentlicht.

Logikgatter bilden die Grundlage für Prozessorschaltungen. Sie werden in integrierten Schaltkreisen zusammengefasst. Ein Gatter nimmt zwei binäre Eingaben entgegen und kann sie mithilfe von logischen Operatoren zu einem binären Ausgangssignal verarbeiten. Bisher wird das über elektrische Spannungswerte in Transistoren verwirklicht. Dabei treten Verzögerungen im Nanosekundenbereich auf. Das interuniversitäre Team hat diese Operationen nun berechnet, indem es synchronisierte Laserimpulse auf Graphen- und Goldelektroden abgefeuert hat.

Ein Draht verband zwei Gold-Elektroden. Trafen die Lichtimpulse auf das Material, regten sie Elektroden an, sich wellenartig auf die Goldelektroden zuzubewegen – ein Stromimpuls entsteht. Je nachdem, wo der Impuls auf die Struktur trifft, breiten sich die Wellen unterschiedlich aus. Es entstehen sogenannte reale und virtuelle Ladungsträger. „Graphen kann man sich wie einen Pool vorstellen mit den Gold-Elektroden als Überlaufbecken. Sobald man die Wasseroberfläche stört, läuft Wasser über. Bei realen Ladungsträgern wirft man einen Stein in die Mitte des Pools. Das Wasser läuft über, sobald die entstandene Wasserwelle den Rand erreicht – wie Elektronen, die ein Laserimpuls in der Mitte des Graphens anregt“, erklärt Tobias Boolakee. Er leitete die Experimente am Lehrstuhl für Laserphysik an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg.

Virtuelle Ladungsträger entstehen bei einem Impuls direkt neben der Goldelektrode. In Boolakees Bild wird Wasser am Rand des Pools abgeschöpft, ohne auf eine Welle zu warten. Das geschieht so schnell, dass man es nicht wahrnehmen kann. Je nachdem, ob der eine oder der andere Ladungsträger erzeugt wird, kann man logische Informationen in Form von 1 oder 0 zuordnen. Vorteil: Die Verzögerung minimierte sich auf Femtosekunden, also Millionstel von Nanosekunden.

Im ersten Schritt geht es den Forschern bei der Lichtwellenelektronik darum, die Bewegung von Elektroden über Laserlicht zu steuern. Diese Steuerung soll dann zur Entwicklung elektronischer Schaltkreise dienen. Bisher konnte man die ultraschnellen Stromstöße nicht verarbeiten. Doch den Wissenschaftler:innen aus Rochester und Erlangen gelang nun, die realen und virtuellen Ladungsträger nutzbar zu machen und unabhängig voneinander zu kontrollieren. Hoch skaliert könnten sie damit eine Informationsverarbeitung ermöglichen, die an die Petahertz-Grenze heranreicht. Das bedeutet eine Verarbeitung von einer Billiarde Rechenoperationen pro Sekunde.

Damit bewiesen die Wissenschaftler:innen, dass die Verarbeitung möglich ist: Das theoretische Konstrukt der Lichtwellenelektronik funktioniert. Tobias Boolake schreibt: „Es wird wahrscheinlich noch sehr lange dauern, bis diese Technik in einem Computerchip eingesetzt werden kann, aber zumindest wissen wir jetzt, dass Lichtwellenelektronik praktisch möglich ist.“ Frühere Studien legen nahe, dass der Petahertz-Bereich bereits die absolute Quantengrenze für die Geschwindigkeit optischer Computer darstellt.