05.08.2009 · Es könnte der erste Schritt zur Entwicklung eines optischen Computers sein: Forschern an der Eidgenössischen Technischen Hochschule ist es gelungen, einen mit Photonen arbeitenden optischen Schalter zu bauen. Aber einige Probleme sind noch zu knacken.
Von Manfred Lindinger
© Foto Martin Pototschnig
Der Aufbau des beschriebenen Experiments: Man sieht die zwei Laserstrahlen, die auf ein Molekül gelenkt werden, wo einer der beiden Strahlen die Intensität des anderen moduliert.
Seit dem Aufkommen der ersten Laser vor etwa fünfzig Jahren träumen die Forscher von Schaltkreisen, die optische statt elektrische Signale verarbeiten. Eine ausschließlich auf Licht beruhende Datenverarbeitung hätte nämlich viele Vorteile. Photonen breiten sich deutlich schneller aus als Elektronen, produzieren keine Wärme und lassen sich mit Glasfasern verhältnismäßig einfach über große Entfernungen übertragen. Da Lichtsignale keine Ladung tragen, beeinflussen sie sich nicht gegenseitig. Aber noch immer müssen die Lichtpulse mit elektrischen Schaltkreisen verarbeitet werden. Denn es fehlt bislang an einem entscheidenden Element für eine optische Datenverarbeitung: einem Transistor, der wie sein elektrisches Vorbild funktioniert, nur dass er Lichtsignale verstärken und steuern kann. Ein solches Bauteil haben nun Forscher von der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich entwickelt.
In einem herkömmlichen Transistor wird der elektrische Strom durch eine Spannung kontrolliert, die an der Steuerelektrode anliegt. Je nach Größe der Spannung wird der Elektronenfluss blockiert, freigeschaltet oder verstärkt. Die Forscher um Vahid Sandoghdar haben das Prinzip für ihre Zwecke genutzt, nur dass in ihrem Fall ein Lichtsignal statt eines Stroms kontrolliert werden musste. Die Aufgabe der Steuerspannung hatten Photonen zu übernehmen. Dem Vorhaben stand allerdings ein Hindernis im Weg: Photonen beeinflussen sich im freien Raum normalerweise so gut wie nicht. Es sei denn, man erhöht ihre Intensität und verwendet bestimmte Stoffe, in denen sie sich ausbreiten. Es treten dann nichtlineare optische Effekte auf, die das Absorptions- und Emissionsverhalten verändern, so dass sich zwei Lichtstrahlen gegenseitig beeinflussen können.
In wechselndem Laserlicht
Als Medium verwendeten Sandoghdar und seine Kollegen den Farbstoff Dibenzanthanthren. Dieser besitzt zwei benachbarte Anregungszustände, die sich für die Versuche als vorteilhaft erwiesen. Die Farbstoffmoleküle wurden zunächst in eine kristalline organische Matrix eingebaut und stark abgekühlt, wodurch störende Wärmeeffekte unterdrückt wurden. Dann richteten die Forscher einen kontinuierlichen grünen Laserstrahl mit schwacher Intensität auf ein einzelnes Molekül. Als sie dessen Frequenz auf eine bestimmte molekulare Anregungsfrequenz abstimmten, wurde der Lichtstrahl zu einem geringen Maß – etwa zehn Prozent – absorbiert.
Das Farbstoffmolekül bestrahlte man dann mit blauen Laserpulsen, die einen anderen molekularen Schwingungszustand anregten. Den Laserpulsen kam die Rolle der Steuerspannung eines herkömmlichen Transistors zu. Sobald der Farbstoff von einem blauen Photon getroffen wurde, änderten sich aufgrund nichtlinearer optischer Eigenschaften seine Transmissionseigenschaften. Der grüne Laserstrahl, der zunächst zum Teil absorbiert wurde, konnte nun das Molekül ungestört passieren. Der Farbstoff wirkte gewissermaßen wie ein Schalter für das grüne Licht, gesteuert von den blauen Laserpulsen. Als die Forscher deren Intensität erhöhten, verstärkte sich geringfügig auch die Intensität des grünen Strahls. Der Farbstoff verhielt sich nun wie ein optischer Verstärker. Die Intensität des kontinuierlichen Laserstrahls zeigte einen nichtlinearen – für Transistoren typischen – Verlauf, als die Leistung der blauen Laserpulse variiert wurde („Nature“, Bd. 460, S. 76).
Noch einige Probleme zu knacken
Der optische Transistor von Sandoghdar und seinen Kollegen könnte der erste Schritt in Richtung eines optischen Computers sein – eines Rechners, der ausschließlich mit Lichtsignalen arbeitet. Daraus ließe sich schließlich sogar ein Quantencomputer entwickeln, der nicht mit klassischen Bits – Null und Eins – rechnet, sondern mit Quantenbits, deren Werte den Polarisationszuständen von Photonen entsprechen.
Doch bis dahin ist es noch ein weiter Weg, wie die Forscher selbst einräumen. So darf der kontinuierliche Laserstrahl, der kontrolliert werden soll, nicht zu stark sein. Auch benötigt man noch zu viele blaue Laserpulse zur Anregung des Farbstoffmoleküls und zur Steuerung des grünen Laserstrahls. Zudem sind die An- und Aus-Zustände des Transistors nicht so stark ausgeprägt, wie es für einen optischen Schalter wünschenswert wäre. Da die Farbstoffmoleküle gleichmäßig verteilt in einer Matrix sitzen, ließen sich die einzelnen Transistoren miteinander vernetzen und damit parallel oder in Reihe verschaltet betreiben. Manfred Lindinger
