Nano- und Quantencomputer

 

Der Transistor in integrierten Schaltkreisen war 50 Jahre lang das Zugpferd der Computerlogik, einer Zeit, in der die Leistung und Allgegenwärtigkeit von digitalen Geräten revolutioniert wurde. Diese Revolution hat sowohl eine Verkleinerung (der physischen Größe und des Energieverbrauchs einzelner Geräte) als auch eine Vergrößerung (der Systemkomplexität und Flexibilität) von informationsverarbeitenden Maschinen mit sich gebracht. Während die Vergrößerung und Diversifizierung weiter voran schreitet, existiert die Ansicht, dass die Verkleinerung abgeschlossen und die Gültigkeit des Moore‘schen Gesetz somit hinfällig ist.
Tatsächlich zeigt unsere Forschung, dass die Verkleinerung nicht beendet ist, sondern dass sie Richtungen einschlagen wird, die von der geometrischen Skalierung der digital integrierten Schaltung völlig verschieden sind. Eine multidisziplinäre Gruppe an der RWTH, die dem Forschungsteam JARA-FIT („Fundamentals of Future Information Technology“) angehört, hat sich der Aufgabe verpflichtet, diese neuen Wege der Verkleinerung in mehrere, zusammenhängende Richtungen zu beschreiten:

  1. Die Verwendung von völlig unterschiedlichen geometrischen Strukturen im Nanometer- und sogar fast-atomaren Bereich, um Informationen auf einem noch kleineren physischen Raum und mit entsprechend weniger Energie zu verarbeiten. Ein wachsendes Forschungsziel bei JARA ist das "zero-power"-System, das durch die auf atomarer Ebene arbeitenden Bauteile ermöglicht wird und bei dem die Verarbeitung eng mit der Energieerzeugung („Energy Harvesting") durch Thermoelektrik, Photovoltaik, elektrochemische und mikromechanische Mittel gekoppelt ist.
  2. Das Erforschen neuer physikalischer Modalitäten für die Darstellung von Informationen; Anstatt elektrischer Ladung - dem Zugpferd des letzten halben Jahrhunderts - kommen neue physikalische Größen wie Elektronenspin und lokale chemische Zusammensetzungen ins Spiel. RWTH- und JARA-Forscher fokussieren sich insbesondere auf die Herstellung von neuen nicht-flüchtigen nanoelektronischen Bauelementen auf Basis kontrollierter Veränderungen der chemischen Zusammensetzung, in Hinblick auf skalierbare nicht-flüchtige Speicher, nicht-flüchtige Zwischenspeicher für logische Verknüpfungen, die lokale Verbindung von Speicher-und Logikchips, sowie verschiedene Ansätze zum neuromorphen Computing.
  3. Die Nutzung der Quantenkohärenz als einzigartige Quelle physikalischer Objekte, um Werkzeuge bereit zu stellen, die über die Boolesche Logik hinausgehen. Großes Ziel in diesem Bereich ist der skalierbare Quantencomputer. Die Forschungsaktivitäten von RWTH/JARA bauen auf ihren hohen Erfahrungen im Bereich Einzel-Elektronen-Quantenpunkte, die die Grenzen hochpräziser Steuerung des quantenlogischen Zustands dieser Bauelemente und ihren Verbindungen erweitern. Neue Entwürfe von quantenklassischen Geräten gehen in die Entwicklung, um neue Maschinen für die Simulation von Quantensystemen bereit zu stellen, zuvor unlösbare Fragen in der Numerischen Mathematik anzugehen und sichere Fernkommunikation auf Basis von Quantenkryptographie zu ermöglichen.

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