Logikgatter sind die grundlegenden Bausteine von Computern, und Wissenschaftler haben jetzt die schnellsten entwickelt, die je hergestellt wurden. Durch das Sprengen von Graphen und Gold mit Laserimpulsen arbeiten die neuen Logikschaltkreise millionenfach schneller als bestehende Computer und demonstrieren die Machbarkeit der „Lichtwellenelektronik“.
Logikgatter (Logic Gates oder Gates) nehmen zwei Eingangssignale, vergleichen sie und geben dann ein Signal basierend auf dem Ergebnis aus. Sie können beispielsweise 1 ausgeben, wenn beide Eingänge 1 oder 0 sind, oder wenn einer oder keiner von ihnen 1 ist, neben anderen "Regeln".
Milliarden einzelner Logikelemente werden in Chips gepackt, um Prozessoren, Speicher und andere elektronische Komponenten zu erstellen.
Logikelemente arbeiten jedoch nicht sofort – es gibt eine Verzögerung in der Größenordnung von Nanosekunden bei der Verarbeitung von Eingangsdaten. Es ist schnell genug für die heutigen Computer, aber es gibt immer Raum für Verbesserungen. Neue Logikelemente können Informationen in Femtosekunden verarbeiten, die millionenfach kürzer sind als Nanosekunden.
Um diese extremen Geschwindigkeiten zu erreichen, stellten die Wissenschaftler Verbindungen her, die aus Graphendraht bestehen, der zwei Goldelektroden verbindet.
Wenn Graphen synchronisierten Paaren von Laserpulsen ausgesetzt wurde, wurden die Elektronen im Material angeregt und zu einer der Elektroden geschickt, wodurch ein elektrischer Strom erzeugt wurde.
Durch Anpassen der Phase der Laserpulse konnten die Forscher einen Burst aus einer von zwei Arten von Ladungsträgern erzeugen, die sich entweder addieren oder aufheben – die erste kann als Ausgang 1 und die zweite als 0 betrachtet werden.
Das Endergebnis ist ein ultraschnelles Logikelement, das den ersten Proof-of-Concept auf dem noch theoretischen Gebiet der Lichtwellenelektronik darstellt.
„Es wird wahrscheinlich noch lange dauern, bis diese Methode in einem Computerchip eingesetzt werden kann, aber immerhin wissen wir jetzt, dass Lichtwellenelektronik praktisch möglich ist“, sagt Tobias Bulaki, Erstautor der Studie.
Wenn diese Art von elektronischen Lichtwellengeräten jemals auf den Markt kommen, könnten sie millionenfach schneller sein als heutige Computer.
Derzeit wird die Betriebsgeschwindigkeit in Gigahertz (GHz) gemessen, aber neue Logikelemente arbeiten im Petahertz (PHZ)-Maßstab.
Frühere Forschungen haben dies als absolute Quantengrenze dafür festgelegt, wie schnell lichtbasierte Computersysteme sein können.
Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.
2022-05-12 13:52:59
Autor: Vitalii Babkin