Im Streben nach schnellerer und effizienterer Computertechnologie versuchen Wissenschaftler auf der ganzen Welt, Computer dazu zu bringen, „Licht“ statt „Elektrizität“ zur Informationsverarbeitung zu nutzen. Kürzlich hat ein Forschungsteam der Monash University in Australien einen Meilenstein auf diesem Gebiet erzielt. Sie entwickelten erfolgreich einen neuen Typ von nanoskaligen Mikrochips, der erstmals die Erzeugung, Steuerung und Auslesung optischer Signale in einem einzigen Gerät ermöglichte und damit wichtige technische Engpässe überwand, die die Entwicklung dieses Bereichs lange Zeit behindert hatten.
Der Kern dieses Durchbruchs stammt aus einem hochmodernen Gebiet namens „Valley Electronics“, das darauf abzielt, die Quanteneigenschaften (d. h. „Valley-Freiheitsgrade“) in fortschrittlichen Materialien zum Speichern und Kodieren von Informationen zu nutzen. Obwohl die wissenschaftliche Gemeinschaft diese Technologie seit langem als potenziellen Weg zur Erreichung von Ultrahochgeschwindigkeitsrechnen, niedrigem Energieverbrauch und starken Kommunikationssystemen betrachtet, ist die Integration aller Schlüsselfunktionen in eine kompakte Plattform ein unüberwindbares Problem.
Ein Forschungsteam, bestehend aus Wissenschaftlern wie Dr. Chi Li, Dr. Kaijian Xing und Dr. Haoran Ren, löste diese Herausforderung. Die von ihnen entwickelte nanoskalige Schaltung kann nicht nur spezifische optische Signale erzeugen und deren Übertragungsrichtung auf demselben Chip präzise steuern, sondern sie auch reibungslos in elektrische Signale umwandeln.
Der Herstellungsprozess des Chips ist den Forschern zufolge äußerst innovativ. Es kombiniert ultradünne Materialien mit einer Dicke von nur wenigen Atomen mit technischen Nanostrukturen, sogenannten Metaoberflächen, die in der Lage sind, Licht in mikroskopischen Maßstäben zu manipulieren, die kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares sind. Um die fragile Struktur ultradünner Materialien nicht zu zerstören, hat das Team eine neuartige Laminierungsstapelmethode eingeführt, um die technischen Schwierigkeiten beim direkten Aufwachsen von Materialien auf photonischen Strukturen zu vermeiden, und so erfolgreich dieses vollständige System auf Chipebene geschaffen.
Im Vergleich zu herkömmlichen Computerchips, die auf Elektronen angewiesen sind, um sich in Schaltkreisen zu bewegen, nutzen photonische Systeme Licht zur Datenübertragung, was den natürlichen Vorteil hat, dass sie weniger Wärme erzeugen und schneller sind. Diese photonische Technologie soll in Zukunft die Verarbeitungsgeschwindigkeit von Rechenzentren, Systemen der künstlichen Intelligenz und Kommunikationsnetzwerken deutlich erhöhen und gleichzeitig den Energieverbrauch deutlich senken.
Noch spannender für die Branche ist, dass das System vollständig bei Raumtemperatur betrieben werden kann. Viele experimentelle Quantentechnologien sind oft auf komplexe und teure Kühlgeräte angewiesen, um in extrem kalten Umgebungen zu funktionieren. Diese Errungenschaft der Monash University beseitigt diese Einschränkung vollständig und zeigt einen extrem hohen Grad an Miniaturisierung, der es dieser Technologie ermöglicht, aus dem Labor in kommerzielle Geräte zu gelangen.
Um die tatsächliche Funktionsfähigkeit des Chips zu bestätigen, verwendeten die Forscher ihn im Experiment zur gleichzeitigen Kodierung und Verarbeitung zweier unabhängiger Bilder und demonstrierten damit erfolgreich die Leistungsfähigkeit des Systems, mehrere Informationsflüsse parallel zu verwalten.
Professor Stefan A. Maier, Direktor der School of Physics and Astronomy and Nanophotonics Laboratory an der Monash University, sagte, dass diese Arbeit Licht und Quantenmaterialien auf dem Chip perfekt kombiniert, neue Möglichkeiten der Kodierung und Verarbeitung von Informationen eröffnet und ein wichtiger Schritt zur Förderung praktischer Anwendungen der Valley-Elektronik ist. Das Forschungsteam wies darauf hin, dass diese Errungenschaft ein enormes Anwendungspotenzial in Bereichen wie Quantencomputing, fortschrittlicher Bildgebungstechnologie und optischen Kommunikationssystemen der nächsten Generation hat.
Relevante Forschungsergebnisse wurden am 25. Mai 2026 in der internationalen Top-Fachzeitschrift „Nature Photonics“ veröffentlicht.