Die digitale Zukunft könnte auf optischen Schaltern basieren, die eine Million Mal schneller sind als heutige Transistoren

Wenn Sie sich jemals eine schnellere Telefon-, Computer- oder Internetverbindung gewünscht haben, haben Sie die persönliche Erfahrung gemacht, dass Sie an die Grenzen der Technologie stoßen. Aber vielleicht gibt es unterwegs Hilfe.

In den letzten Jahrzehnten haben Wissenschaftler und Ingenieure wie ich daran gearbeitet, schnellere Transistoren zu entwickeln, die elektronischen Komponenten, die modernen elektronischen und digitalen Kommunikationstechnologien zugrunde liegen. Diese Bemühungen basierten auf einer Kategorie von Materialien, die als Halbleiter bezeichnet werden und besondere elektrische Eigenschaften aufweisen. Silizium ist vielleicht das bekannteste Beispiel für diese Art von Material.

Doch vor etwa einem Jahrzehnt stießen wissenschaftliche Bemühungen an die Geschwindigkeitsgrenze halbleiterbasierter Transistoren. Forscher können Elektronen einfach nicht schneller durch diese Materialien bewegen. Eine Möglichkeit, mit der Ingenieure versuchen, die mit der Bewegung eines Stroms durch Silizium einhergehenden Geschwindigkeitsbeschränkungen zu umgehen, besteht darin, kürzere physikalische Schaltkreise zu entwerfen – was den Elektronen im Wesentlichen eine kürzere Distanz für die Reise ermöglicht. Um die Rechenleistung eines Chips zu erhöhen, muss die Anzahl der Transistoren erhöht werden. Doch selbst wenn es den Forschern gelingt, Transistoren sehr klein zu machen, werden sie nicht schnell genug für die schnelleren Verarbeitungs- und Datenübertragungsgeschwindigkeiten sein, die Menschen und Unternehmen benötigen.

Die Arbeit meiner Forschungsgruppe zielt darauf ab, mithilfe ultraschneller Laserpulse im freien Raum und optischer Fasern schnellere Methoden zur Datenübertragung zu entwickeln. Das Laserlicht bewegt sich nahezu verlustfrei und mit sehr geringem Rauschen durch die Glasfaser.

In unserer jüngsten Studie, die im Februar 2023 in Science Advances veröffentlicht wurde, sind wir einen Schritt in diese Richtung gegangen und haben gezeigt, dass es möglich ist, laserbasierte Systeme mit optischen Transistoren zu verwenden, die zur Bewegung und Übertragung von Elektronen auf Photonen und nicht auf Spannung angewiesen sind Informationen viel schneller als aktuelle Systeme – und zwar effektiver als bisher berichtete optische Schalter.

Auf ihrer grundlegendsten Ebene beinhalten digitale Übertragungen ein Signal, das ein- und ausgeschaltet wird, um Einsen und Nullen darzustellen. Elektronische Transistoren verwenden Spannung, um dieses Signal zu senden: Wenn die Spannung die Elektronen dazu bringt, durch das System zu fließen, signalisieren sie eine 1; Wenn keine Elektronen fließen, signalisiert dies eine 0. Dazu ist eine Quelle erforderlich, um die Elektronen auszusenden, und ein Empfänger, der sie erkennt.

Unser System der ultraschnellen optischen Datenübertragung basiert auf Licht und nicht auf Spannung. Unsere Forschungsgruppe ist eine von vielen, die sich mit optischer Kommunikation auf Transistorebene – den Bausteinen moderner Prozessoren – befassen, um die aktuellen Einschränkungen bei Silizium zu umgehen.

Unser System steuert reflektiertes Licht, um Informationen zu übertragen. Wenn Licht auf ein Stück Glas fällt, dringt das meiste davon hindurch, ein kleiner Teil kann jedoch reflektiert werden. Das empfinden Sie als Blendung, wenn Sie dem Sonnenlicht entgegenfahren oder durch ein Fenster schauen.

Wir verwenden zwei Laserstrahlen, die von zwei Quellen gesendet werden und durch dasselbe Stück Glas gehen. Ein Strahl ist konstant, seine Transmission durch das Glas wird jedoch vom zweiten Strahl gesteuert. Indem wir den zweiten Strahl verwenden, um die Eigenschaften des Glases von transparent zu reflektierend zu ändern, können wir die Übertragung des konstanten Strahls starten und stoppen und so das optische Signal sehr schnell von ein auf aus und wieder zurück schalten.

Mit dieser Methode können wir die Glaseigenschaften viel schneller ändern, als aktuelle Systeme Elektronen senden können. So können wir in kürzerer Zeit viel mehr Ein- und Ausschaltsignale – Nullen und Einsen – senden.

Unsere Studie hat den ersten Schritt getan, um Daten 1 Million Mal schneller zu übertragen, als wenn wir die typische Elektronik verwendet hätten. Bei Elektronen beträgt die maximale Geschwindigkeit für die Datenübertragung eine Nanosekunde, eine Milliardstel Sekunde, was sehr schnell ist. Aber der von uns konstruierte optische Schalter war in der Lage, Daten millionenfach schneller zu übertragen, was nur wenige hundert Attosekunden dauerte.

Wir konnten diese Signale auch sicher übertragen, sodass ein Angreifer, der versuchte, die Nachrichten abzufangen oder zu ändern, scheiterte oder entdeckt wurde.

Durch die Verwendung eines Laserstrahls zum Übertragen eines Signals und die Anpassung der Signalintensität mithilfe von Glas, das von einem anderen Laserstrahl gesteuert wird, können sich die Informationen nicht nur schneller, sondern auch über viel größere Entfernungen verbreiten.

So hat beispielsweise das James-Webb-Weltraumteleskop kürzlich atemberaubende Bilder aus der Ferne des Weltalls übermittelt. Diese Bilder wurden als Daten vom Teleskop mit einer Rate von einem „Ein“ oder „Aus“ alle 35 Nanosekunden über optische Kommunikation zur Basisstation auf der Erde übertragen.

Ein Lasersystem wie das, das wir entwickeln, könnte die Übertragungsrate um das Milliardefache beschleunigen und so eine schnellere und klarere Erkundung des Weltraums ermöglichen und die Geheimnisse des Universums schneller enthüllen. Und eines Tages könnten Computer selbst mit Licht betrieben werden.

Dieser Artikel wurde von The Conversation unter einer Creative Commons-Lizenz erneut veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.

Bildquelle: Der ultraschnelle optische Schalter des Autors im Labor in Aktion. Mohammed Hassan, University of Arizona, CC BY-ND