Ultraschnelle Winzlinge

Das MIT gehört zu den großen Instituten für Forschung und Lehre, die durch ihre Arbeitsbreite bestechen und die gleichzeitig auf jedem ihrer Gebiete Spitzenleistungen abliefern. Schon die schiere Größe des Massachusetts Institute of Technology beeindruckt.

Fast zwei Kilometer zieht sich das MIT (www.mit.edu) am Charles River entlang, der Boston von Cambridge trennt. Weltgeltung wird von jeder Fakultät angestrebt und ist längst Tatsache geworden: Allein fünf Nobelpreisträger in den 90er Jahren sprechen dafür. Richtungweisend sind auch die Forschungen auf den Gebieten der Photonik und des Quantencomputing.
“Ultraschnell!” ? so beschreibt Prof. Erich P. Ippen vom Forschungslabor für Elektronik die entscheidenden Vorteile der Photonik. Sie ist die neue “Killertechnologie”, die auf die klassische Halbleiterelektronik aufsetzt, deren Flaschenhälse aber vermeidet. Sein Kollege Prof. Lionel Kimerling sieht die Photonik gerade mit Blick auf die Halbleitertechnik als “disruptive Technology”: Sie schreibt nicht etwa die Mikroelektronik mit anderen Mitteln fort, sondern setzt mit viel größeren Informationskapazitäten einen neuen Zweig der Informationsverarbeitung in Gang.
Da bisher an den Enden jeder Glasfaserverbindung letztlich wieder von Photonen auf Elektronen umgesetzt werden muss, treten hier Flaschenhälse auf, die durch die Informationsverarbeitung im Silizium erzeugt werden. Ziel der Photonik ist es daher, Bausteine zu entwickeln, die Funktionen ihrer mikroelektronischen Kollegen im optischen Bereich ohne Einschränkungen hinsichtlich Geschwindigkeit und Bandbreite realisieren.
Innerhalb von dreißig Jahren hat man die Geschwindigkeiten bei der Glasfasertechnik um drei Zehnerpotenzen steigern können. 1970 wurden erstmals kürzeste Lichtimpulse von unter zehn Picosekunden erreicht ? 1998 war man unter zehn Femtosekunden (fs=10-15 Sekunden) angelangt. Heute liegen die besten Laborwerte bereits unter 5 fs. Wozu man so kurze Impulse braucht? Mit der Kürze der Impulse steigt die Bandbreite, die man im Wellenleiter übertragen kann.
Die jährlichen IT-Wachstumsraten werden nur geringfügig und kurzzeitig durch Wirtschaftsstagnation aufgehalten: Der Telefonverkehr wächst mit vier Prozent p. a., Breitbanddienste mit 50 Prozent p. a. und Internetdienste mit >100 Prozent p. a. Die erforderlichen Bandbreiten sollen künftig durch die Photonik zur Verfügung stehen.
Abstimmbare Halbleiterlaser mit hoher Modulierbarkeit sind Basiselemente für die Mikrophotonik. Auf bis zu 28 GHz Modulationsbandbreite ist man dabei schon am MIT gekommen. Photonische Kristalle (Bild 1 und Bild 2) sind ein anderes Arbeitsgebiet: Sie steuern die Photonen ganz ähnlich wie Halbleiter die Elektronen steuern. Auch optische Verzweiger (“Add”, “Drop”), die einen Lichtstrahl aufsplitten können oder zwei Lichtstrahlen in einem Leiter bündeln, sind Schlüsselelemente (Bild 3).
Doch die schönsten Ideen für solche Basisbausteine helfen nicht viel weiter, so lange das Verbinden solcher Bausteine untereinander der teuerste Teil der Photonik ist. Daraus ergeben sich einige wichtige Forschungsprojekte: neue Kopplungsmethoden zu finden, die im Baustein selbst die Verbindung vornehmen, photonische Mikrozellen zu entwickeln und neuartige integrierte optische Schaltungen zu testen, steht auf dem Programm. Mikroresonatoren mit hoher Güte sind ebenfalls erforderlich, wobei das Microphotonic Center des MIT hier auf gute Ergebnisse verweisen kann. Optische Mikroleitungen auf dem Basissubstrat stellen ebenfalls eine Herausforderung dar, die alle Designeigenschaften von metallischen Leitungen ? Stichworte Abbiegen und Verbinden ? aufweisen sollen. Wie aber kann man Licht dazu bewegen, sich um 90 ° zu drehen, ohne einen Spiegel zu benutzen? Oder um 120 °? Auch das hat man am MIT geschafft: Auf einer Fläche von nur 0,5 µm2 hat man einen solchen 90 °-Knick realisiert. Das geht nicht ganz verlustfrei (pro Knick verliert man etwa 0,32 dB vom Signal), ist aber in Mikrodimensionen effizienter machbar.

Quantencomputer
Noch weiter in die Zukunft reichen die Arbeiten von Professor David G. Gory, der auf dem Gebiet des Quantencomputing zu Hause ist. Es ist nicht die von vielen angenommene Schnelligkeit, die das Quantencomputing interessant macht. Genau genommen ist die Geschwindigkeit eines Quantencomputers eher klein. Aber er kann einige Dinge theoretisch um Zehnerpotenzen besser als seine Siliziumbrüder, so zum Beispiel eine absolut sichere
Informationsübertragung, sehr schnel-le Informationssuche, rasche Simulation, hochpräzise und schnelle Entschlüsselung codierter Nachrichten etc. Und so verwundert es nicht, dass ursprünglich zunächst einmal die Geheimdienste größtes Interesse an dieser Entwicklung hatten.
Quantencomputer speichern die Information als Elektronenspin und darauf beruht auch der Funktionsmechanismus beim Auslesen und der Verarbeitung der Information. Liest man die gespeicherte Information in der Achse der ursprünglichen Codierung aus, bleibt die Information erhalten. Wer hingegen versucht, sie in einer anderen Achse auszulesen, verliert die Information unweigerlich. Es ist also von essentieller Bedeutung, die Informationen über das Einschreiben der “QBits” zu erhalten, weil sonst keine Verarbeitung möglich ist.
Dass ein Quantencomputer “funktioniert”, steht heute bereits außer Zweifel. Es gibt aber noch viele Startprobleme. Unter anderem muss man das System gegen Einflüsse der Außenwelt optimal abschirmen, beispielsweise stört schon atmosphärisches Rauschen. Noch dazu sind Quantencomputer unvorstellbar klein. Mit 30 Quantenbits könnte man theoretisch einen klassischen Numbercruncher vom Typ Cray1-G ersetzen ? von der Arbeitsleistung her, nicht aber von der Geschwindigkeit. Die Technologie, mit der man Zugang zum Quantencomputing bekommt, ist das “Magnetic Resonance Imaging” (MRI): Ein Magnetfeld richtet die Moleküle des Mediums aus, eine spezielle Antenne liest die Richtung des Spins.
Was ist die Zukunft des Quantencomputing? Gegenwärtig werden etwa 50 Mio. US-Dollar pro Jahr weltweit für diese Forschungsrichtung ausgegeben, davon knapp 6 Mio. US-Dollar in Europa. Sollte sich diese Technologie in praktikablen Systemen umsetzen lassen, so finden sich bestimmt Anwendungen, die über das Feld der Wissenschaft hinausreichen. Auch beim Laser war dies so, ohne den heutige Informationstechnologien schwer vorstellbar wären.