2. Preis Natur- und Technikwissenschaften 2024
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Bis zu 100.000-fach schneller als heutige Technologien: Der Physiker Tobias Weitz liefert das Potenzial für ein neues Zeitalter der Computergeschwindigkeit.
Die Forschung
Dem lichtschnellen Computer ein Stück näher
Text: Mann beißt Hund
Künstliche Intelligenz, hyperkomplexe Simulationen, Big Data — der Bedarf an immer leistungsfähigeren Computerarchitekturen wächst und übersteigt langsam die physikalischen Grenzen der aktuellen Technologien. Denn die kleinsten der unverzichtbaren Transistoren, die digitale Information in Geräten verarbeiten, messen bereits nur noch wenige Nanometer und lassen sich nicht viel weiter verkleinern. In seiner Promotion entwickelte der Physiker Dr. Tobias Weitz einen Ansatz, der bahnbrechend sein könnte: eine Computerarchitektur, die durch Lichtfelder gesteuert wird und bis zu 100.000-fach schneller rechnet als heutige Technologien.
Auf der Suche nach einer schnelleren Alternative zum Transistor untersuchte Weitz, wie man Elektronen in einem Festkörper auf extrem kleinen Längen- und Zeitskalen kontrollieren kann. Dabei entwickelte er den Prototyp eines sogenannten Logikgatters – der kleinsten Einheit digitaler Informationstechnologie. Es wird durch ultrakurze Laserimpulse betrieben und könnte irgendwann herkömmliche Transistoren ersetzen. „Was seit über zehn Jahren diskutiert wird, haben wir gezeigt: Mit dem Lichtfeld-getriebenen Logikgatter ist eine intelligente, logische Informationsverarbeitung möglich“, sagt Weitz.
„Man kann sich das Konzept wie eine Wasserschleuse vorstellen: Ein Schwall Wasser kommt, und der Schleusenwärter entscheidet, ob er die Schleuse öffnet oder schließt. Am Ausgang fließt dann Wasser heraus oder auch nicht. Analog dazu funktioniert ein Transistor mit elektrischem Strom. Ein herkömmlicher Transistor schaltet den Strom etwa jede Nanosekunde (10⁻⁹ Sekunden) an. Bei unserem Ansatz geht das viel schneller — in der Größenordnung einer Femtosekunde (10⁻¹⁵ Sekunden). Das gelingt uns, indem wir die Technologie nicht mit einem Mikrowellenfeld betreiben, sondern mit einem Lichtfeld“, erklärt er.
„Was seit über zehn Jahren diskutiert wird, haben wir gezeigt: Mit dem Lichtfeld-getriebenen Logikgatter ist eine intelligente, logische Informationsverarbeitung möglich.“
Preisträger Tobias Weitz
Um die Technologie zur Marktreife zu bringen, sind weitere Entwicklungen notwendig – vor allem die Laser stellen einen Engpass dar. Aber Weitz ist zuversichtlich. „Die ersten Computer wurden mit Lochstreifen betrieben und waren so groß wie ein Wandschrank. Der Prototyp meines Logikgatters wird von einem Laser betrieben, der etwa so groß wie acht Schuhkartons ist. Die Frage ist, wie weit wir die Lasertechnologie entwickeln können, um sie praktisch nutzbar zu machen. Bis in die 1970er-Jahre glaubten viele nicht an die Möglichkeit von Personal Computern – und doch sind sie heute Realität“, sagt der Physiker. Zwei Patente seiner Forschung hat er vorsorglich schon einmal angemeldet.
Der Preisträger
Tobias Weitz (29) studierte Physik an der Ludwig-Maximilians-Universität München und dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik. Für seine Promotion wechselte er an die Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. Nach einer Postdoktorandenstelle an seiner Promotionsuniversität ist er momentan als Gast-Postdoktorand am RIKEN Institute of Physical and Chemical Research in Saitama, Japan tätig.
Beitragstitel:Mit ultrakurzen Laserimpulsen zu blitzschnellen Computern
Tobias Weitz
Kontakt via LinkedIn.
Promotion an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Naturwissenschaftliche Fakultät
