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News: Theoretisch winzige Chips

Gerade 2000 Atome breit - etwa 400mal schmaler als ein menschliches Haar - sind die Transistoren auf modernen Mikrochips heutzutage. Zu groß, meinen Techniker und Wissenschaftler. Denn der einfachste Weg, Computer schneller zu machen, besteht darin, die Abmessungen der winzigen Schaltelemente noch weiter zu reduzieren. Optische Produktionsverfahren stoßen jedoch langsam an prinzipielle Grenzen der Miniaturisierung. Wir müssen uns endlich von der klassischen Denkweise verabschieden und die seltsamen Phänomene der Quantenwelt nutzen, mahnen Physiker. Dann bleibt uns ein wesentlich größerer Spielraum, um mit Licht kleinste Strukturen in Chips zu schreiben. Mit verschränkten Photonen.
Alle 18 Monate verdoppelt sich die Geschwindigkeit der besten Computer! So lautet Moores Gesetz, aber wie es aussieht, nähert es sich seinem Verfallsdatum. Ganz ohne lange Debatten stößt es auf physikalische Grenzen, die einfach nicht mehr zulassen, dass die Transistoren auf den Mikrochips immer kleiner und kleiner werden. Zwischen 180 und 220 Nanometern misst solch ein Schaltelement zurzeit. Das entspricht etwa 2000 Atomen. Herkömmliche Prozessoren auf Siliziumbasis könnten im Prinzip mit Transistoren von nur 25 Nanometern Größe auskommen, bevor seltsame Quanteneffekte ihre Arbeit sabotieren. Das Problem liegt also nicht in den Chips selbst, sondern bei ihrer Herstellung.

Bei der optischen Lithografie schreibt ein Lichtstrahl das Muster der elektronischen Elemente auf einen Silizium-Chip. Wie dünn so ein Strahl bestenfalls sein kann, legt das Rayleigh-Kriterium fest: Es geht nicht kleiner als die halbe Wellenlänge des Lichtes. Für die heute eingesetzten UV-Quellen mit 248 Nanometern Wellenlänge ist damit bei 124 Nanometern Schluss.

In das Dilemma platzt der Einspruch von Jonathan Dowling vom Jet Propulsion Laboratory und California Institute of Technology und seinen Kollegen. Sie wollen die klassische Beschränkung durch das Rayleigh-Kriterium auf quantenmechanischem Wege umgehen (Physical Review Letters vom 25. September 2000, Abstract). Ihre "quanteninterferometrische optische Lithografie" könnte Auflösungen von 62 oder gar noch weniger Nanometern erreichen.

Dazu sind so genannte "verschränkte Photonen" nötig – Lichtteilchen, deren Schicksale so eng miteinander verknüpft sind, dass sie eher schon als eine untrennbare Einheit anzusehen sind, obwohl sie sich weit voneinander entfernen können. Stößt einem der beiden verschränkten Photonen irgendetwas zu, wird zum Beispiel sein Spin gemessen, reagiert der Partner sofort darauf, selbst wenn er sich gerade am anderen Ende des Universums befindet. Als eine "gespensterhafte Fernwirkung" hat Einstein diese Eigenschaft einmal beschrieben.

Paare von verschränkten Photonen lassen sich relativ einfach herstellen, indem Licht durch einen speziellen Kristall geschickt wird. Nach Dowlings Vorstellung durchlaufen die beiden Photonen dann einen Aufbau mit zwei Wegen. Es soll unmöglich sein festzustellen, welchen davon sie auswählen. Eine einzige Wellenfunktion beschreibt die verschränkten Teilchen. Sie wird sich auf beide Wege ausdehnen und am Ende mit sich selbst überlagern, sodass ein einzelnes Photon mit der halben Wellenlänge herauskommt. Aus Licht mit 500 Nanometern würden also Photonen mit 250 Nanometern Wellenlänge, was ausreicht für Strukturen von 125 Nanometern Größe. Da ein Chip zweidimensional ist, erlaubt jede Halbierung der Ausmaße schließlich eine Vervierfachung der Bauteildichte. Werden mehr Photonen miteinander verschränkt, verkürzt sich die Wellenlänge sogar noch mehr: bei drei Photonen auf ein Drittel, bei vieren auf ein Viertel und so fort.

Der große Haken an Dowlings Arbeit ist, dass sein Team nur die theoretische Seite beschrieben hat. Einen Prototyp oder zumindest ein erstes Experiment haben sie nicht vorzuweisen. Dennoch beurteilen Experten aus anderen Arbeitsgruppen die Ergebnisse sehr positiv. "Ich bin beeindruckt von der cleveren Anwendung einiger grundlegender Aussagen der Quantenmechanik zu elektromagnetischen Feldern", sagt zum Beispiel Carlos Stroud von der University of Rochester. Denn endlich wird die Quantenmechanik nicht als komplizierter Feind betrachtet, sondern als Freund und Helfer bei Problemen. Zumindest theoretisch.

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