Quo vadis, Rechenmaschine?
bild der wissenschaft 11/2004 von Ulrich Schmitz
Quantenrechner, Spintronik oder Qubits - sie charakterisieren die Rechenmaschine von morgen. Eines ist klar: Es geht bergab, bis in die Tiefen der Atome. Dabei bietet der Abstieg in die Nanowelt zugleich einen Vor- und einen Nachteil. Und wenn die Forscher Erfolg haben, dann könnte sich auch der Nachteil als gewaltiger Vorteil erweisen. Der Vorteil liegt darin, dass die Rechenmaschinen immer kleiner werden - und sich damit immer mehr Rechenpower auf immer kleinerem Raum zusammenziehen läßt. Der Nachteil des Abstiegs in die Nanowelt ist, dass einige noch in der Mikrowelt geltende physikalische Gesetze im atomaren Bereich außer Kraft sind. Die Gesetze der Quantenphysik greifen, sobald die Abmessungen vergleichbar werden mit der Wellenlänge der Elektronen. Hier findet die Von-Neumann-Architektur ihren Meister: Irgend-wann weiß man nicht mehr, ob ein Elektron da ist oder nicht. Dann kann man aber auch kein Bit mehr zuverlässig ablegen, keine Befehle mehr abarbeiten.
Daran, dass aus diesem Ende der Fahnenstange ein neuer Anfang wird, arbeiten Forscher weltweit. Prof. Gernot Güntherodt, Sprecher des NanoClubs der RWTH Aachen, kann sich vorstellen, künftig nicht die Ladung der Elektronen als Informationsträger zu nutzen, sondern deren „Spin", die Rotation des Elektrons um sich selbst. Der Spin ist schneller und auch leichter zu manipulieren als die Ladung von Elektronen. Grundsätzlich ist der Übergang von herkömm-lichen Bits auf Quanten-Bits - kurz: Qubits -, auf der Basis von Spins der Elektronen realisierbar.
Ein Acht-Bit-Register eines klassischen Computers hat immer einen bestimmten Zustand, der eine Zahl zwischen 0 und 256 darstellt. Ein Quantencomputer dagegen produziert zuerst eine Superposition aller 256 Zustände des Registers. Während ein klassisches Bit eines von zwei Zuständen einnimmt, kann das Qubit in beiden gleichzeitig sein. Jede Operation mit den Qubits wirkt auf alle Zustände und beschert dem Benutzer damit einen massiven Parallelrechner. Dadurch erzielt der Quantencomputer eine Geschwindigkeit, die klassische Rechner nicht erreichen können. Dass das grundsätzlich funktioniert, konnte bereits in simplen Aufbauten demonstriert werden. Qubits werden dabei über äußere Magnetfelder und innere, variable Tunnelbarrieren kohärent gesteuert, also langfristig und kontrolliert. Die Wissenschaftler um Dr. Bernd Beschoten und Prof. Gernot Güntherodt von der RWTH Aachen sind überzeugt, dass mit Schalteinheiten einer spinbasierten Elektronik die Taktfrequenzen heutiger PCs von etwa einem Gigahertz um den Faktor 1000 übertroffen werden können. Für die Erzeugung stabiler Spinzustände - und damit fester Datenplätze - nutzen die Aachener Forscher zum Beispiel ultrakurze Laserpulse von nur 100 Femtosekunden.
Fließt Strom durch einen Kupferdraht, dann sind die Spins der Elektronen zufällig orientiert. Mit Ferromagneten kann man jene Spins herausfischen, die nach oben oder umgekehrt nach unten drehen. Man erhält einen spinpolarisierten Strom. Das wiederum bildet die Grundlage für einen denkbaren Spintronik-Feldeffekt-Transistor, mit dem sich die Spinorientierung auf dem Weg durch einen Halbleiter gezielt steuern läßt. Bisher existieren Quantencomputer freilich nur in der Theorie.
Ein anderes spannendes Gebiet sind die photonischen Kristalle. Das sind keine Kristalle aus Photonen, sondern Kristalle für Photonen, ähnlich wie herkömmliche Kristalle für Elektronen. Photonen haben keine Ladung und keine Ruhemasse - sie sind also sehr viel schneller als Elektronen, und sie können beinahe beliebig erzeugt und vernichtet werden. Dahinter steckt wieder das alte Prinzip von Sein und Nicht-Sein, diesmal bezogen auf die Existenz oder Nicht-Existenz von Photonen.
Näher an der Realisierung stehen ferroelektrische Kondensatoren. Sie bestehen aus Oxiden, etwa Bleititanat, die als Miniaturkügelchen auf einem Substrat liegen und eine spontane elektrische Polarisation besitzen, deren Ausrichtungen „auf" und „ab" den Zuständen „0" und „1" entsprechen. Diese Ausrichtung bleibt selbst dann erhalten, wenn der Computer ausgeschaltet wird - der Arbeitsspeicher bekommt ein Gedächtnis. Einige der Körner haben eine Größe von weniger als 30 Nanometern. Als untere Elektrode des Kondensators wird das Substrat benutzt, auf dem das Oxid aufgetragen ist, als obere dient die Sonde eines Rasterkraftmikroskops. Es scheint, dass die Nanowelten genügend Fantasie freisetzen, um die Zeit des Niedergangs klassischer Rechnerarchitekturen sinnvoll zu nutzen.
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