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News: Computerlogik ohne Transistoren

Computer werden immer kleiner, und kleiner, und kleiner ... Doch halt: Die Natur hat den konventionellen Bauteilen unserer Spiel- und Arbeitsgefährten winzige Grenzen gesetzt, die aus physikalischen Gründen nicht unterschritten werden können. Um noch mehr Rechenleistung auf noch weniger Raum unterzubringen, müssen Wissenschaftler sich von der herkömmlichen Elektronik ab- und neuen Techniken zuwenden - zum Beispiel der Arbeit mit zellularen Automaten aus Quantenpunkten. Diese können im Prinzip so klein wie einzelne Moleküle sein und nach quantenmechanischen Prinzipien wie dem Tunneleffekt funktionieren. Der erste zaghafte Versuch, einen logischen Schaltkreis auf dieser Grundlage aufzubauen, fand zwar noch mit Quantenpunkten in der Größe von einigen Mikrometern statt, doch immerhin vermochte dieser bescheidene Computer schon Operationen wie "UND" und "ODER" auszuführen.
Quantenpunkte sind winzige Strukturen, in denen ein Elektron "eingesperrt" werden kann. Mit den Verfahren der modernen Mikroelektronik lassen sich mehrere von ihnen hintereinander zu einer Art binären Draht oder in zweidimensionalen Anordnungen zu Schaltern und logischen Bauteilen arrangieren. Solche Funktionseinheiten werden als Quantenpunkt-Zellen bezeichnet. Sie kommunizieren durch die Coulombsche Wechselwirkung – die anziehende oder abstoßende Kraft zwischen elektrischen Ladungen – miteinander, ohne daß Strom von einer Zelle zur anderen fließt. Somit sind in den Quantenpunkt-zellularen Automaten (quantum-dot cellular automata, QCA) keine großen Ströme nötig, und es wird nur wenig Wärme frei.

Greg Snider von der University of Notre Dame in Indiana stellt in Science vom 9. April 1999 das erste logische QCA-Schaltelement vor. Es besteht aus einer Zelle, die aus vier Quantenpunkten aufgebaut ist. Jeder dieser Punkte ist aus Aluminium und bisher noch ein paar Mikrometer groß. Die Grenze zu den Nachbar-Quantenpunkten besteht aus Aluminiumoxid, durch welches die Elektronen hindurchtunneln können. Normalerweise verbleibt das Elektron also in einem Quantenpunkt. Erst wenn ein elektrisches Feld aus der Umgebung die energetischen Bedingungen verändert, wandert es gegebenenfalls in den nächsten Punkt. Die Quantenpunkt-Zelle hat dann eine "1" gespeichert, wenn sich die beiden eingeschlossenen Elektronen in den Punkten rechts oben und links unten befinden und eine "0", wenn sie in den anderen Quantenpunkten sind.

Snider veränderte durch Inputs an dem Gate-Kontakt des QCA dessen Verhalten und überprüfte mit zwei Elektrometern, die auf einzelne Elektronen ansprechen, die Reaktionen des Schaltelements. Zu seiner Befriedigung verhielt es sich wie vorher theoretisch berechnet.

In der Zukunft könnten auf einem Chip von einem Zentimeter Kantenlänge bis zu einer Billion QCA-Schaltelemente untergebracht werden, statt der sechs Millionen konventioneller Bauteile in heutigen Chips. Allerdings sind bis dahin noch eine Menge Probleme zu lösen. Die bisherigen QCA sind noch viel zu groß, und sie arbeiten nur bei Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt. Nach Meinung von Experten wird es noch mindestens zwanzig Jahre dauern, bis der erste Computer ohne Transistoren, Drähte und Lüfter (zur Kühlung der Chips) auf dem Tisch steht. Der erste Schritt ist jetzt aber schon getan.

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