Die Zukunft

Ich habe schon die Entwicklung der Rechenmaschinen und der ersten Computer beschrieben und es gibt auf dieser Site eine große Übersicht über die Heimcomputer der 70er und 80er Jahre. Die heutigen (Heim-)Rechner, hauptsächlich PCs und Macs, sind bekannt. Was fehlt ist ein Ausblick auf die zukünftigen Entwicklungen im Bereich der Computer.

Das Mooresche Gesetz besagt, daß sich ca. alle zwei Jahre die Packungsdichte von Transistoren auf einem IC verdoppelt (dieses bedeutet für viele Anwendungen eine Vervierfachung der Leistung), aber auch, daß die Transistoren immer kleiner werden. Irgendwann ist eine physikalische Verkleinerung nicht mehr möglich. Der SIA Report geht vom Jahr 2010 aus, in dem die Halbleitertechnologie die Grenze von 0,06um für MOS Transistoren unterschreitet. Aber schon jetzt entstehen enorme Probleme, diese kleinen Strukturen noch sauber zu erzeugen. Wie geht es weiter, wenn die bisherigen Technologien eine weitere Anwendung des Mooreschen Gesetz nicht mehr zulassen?

In zahlreichen Labors wird an Techniken gearbeitet, die Licht (Photonen) anstelle von Elektronen einsetzen. Photonen haben einige wesendliche Vorteile: Sie sind schneller als Elektronen und ein einfacher Laser kann Milliarden von Photonenströme produzieren, die dann jeder für sich Rechenoperationen durchführen können. Logikoperationen werden dann durch Spiegel und optische Gitter erzeugt. Heute wird diese optische Verarbeitung bereits zur Erkennung von Fingerabdrücken eingesetzt.

Robert Curl, Richard Smalley (Rice University) und Harold Kroto (Suniversity of Sussex) bekamen 1996 den Nobelpreis für Physik, weil sie kugelige Moleküle (die Buckyballs) entdeckt hatten, die hundertmal stabiler sind als Stahl. Dr.Sumio Iijima (Nippon Electric Company, NEC) stellte kürzlich fest, daß es außer den Buckyballs auch noch längliche Strukturen (die Nanoröhren) gibt. Diese sind etrem klein und können Strom sogar besser leiten als ein Metall. Werden diese aber verdreht, verlieren sie ihre Leitfähigkeit. Mit diesen Röhren ist es also möglich Schalter (und damit auch alle möglichen elektronischen Geräte) aufzubauen.

Alle bisherigen Computer arbeiten auf digitaler Basis. Die Quantencomputer stellen hier einen völlig neuen Ansatz dar, der darauf basiert, daß mögliche Lösungen nicht nacheinander (wie bei heutigen Rechnern), sondern gleichzeitig, berechnet werden. Heutige Rechner verwenden zur Darstellung ihrer Informationen einzelne Bits, die entweder 0 oder 1 sein können (eben digital). Quantenrechner benutzen anstelle von Bits, sogenannte Qu-Bits, die 0 und 1 gleichzeitig sind. Diese Uneindeutigkeit (Ambiguität) ist für die Quantenmechanik kennzeichend und für uns zunächst sehr paradox. Diese Qu-Bits entscheiden sich erst, während man sie beobachtet, für einen der beiden Zustände. Will man mit einem derartigen Computer Probleme lösen, muß man ihm ein Problem stellen, bei dem man die Richtigkeit der Lösung testen kann. Hier werden die Qu-Bits so organisiert, daß nur eine der vielen Lösungen, diesem Test standhält und die Dekohärenz der Qu-Bits übersteht (die anderen Lösungen löschen sich praktisch gegenseitig aus).

Ein Quantencomputer mit nur 32 Qu-Bits würde 2^32 (4 Mrd.) Lösungen gleichzeitig überprüfen und ein Quantencomputer mit 1000 Qu-Bits wurde ca. 10^300 Lösungen gleichzeitg überprüfen. Diese Rechenleistung ist so groß, daß ein Rechner, der nur über 40 Qu-Bits verfügen würde, schon den schnellsten heutigen Supercomputer in den Schatten stellt (mit knapp 100 Qu-Bits würde bereits jeder denkbarer digitaler Rechner übertroffen). Jeder Chiffriercode und hätte er noch soviele Bits, könnte mit einem derartigen Rechner geknackt werden.

Einen derartigen Computer haben bereits Isaac Chuang vom Los Alamos National Laboratory und Neil Gershenfeld vom MIT gebaut; allerdings war dieser bisher nur un der Lage eins und eins zusammenzuzählen. Im August 2000 gibt die IBM-Forschungsgruppe um Isaac L. Chuang in San Jose bekannt, daß es ihnen gelungen sei, einen Quantencomputer bestehend aus 5 Qubits (fünf Fluoratome) zu bauen und einen entsprechenden Algorithmus zu implementieren. Dieser wurde von Shor schon vor einigen Jahren erdacht und in seiner jetzigen Umsetzung geht es darum, die unbekannte Periodizität einer mathematischen Funktion (x ist die Odnung der Permutation pi) zu finden. Ein anderes Forschungsteam an der Universität Michigan in Ann Arbor zeigte sogar schon, daß acht Zustände in einem einzelnen Atom möglich sind.

Auch die DNS kann dazu benutzt werden, für normale Rechner oft schwierige Probleme elegant zu lösen. Leonard Adleman, ist der erste Mathematiker gewesen, der DNS für die Datenverarbeitung einsetzte. Er schaffte es, daß Problem des Handelsreisenden (in der Informatik als TSP, Travelling Salesman Problem, bekannt) mit Hilfe von DNS-Molekülen zu lösen. Beim TSP soll ein Handlungsreisender eine Anzahl von Städte auf einer optimalen Route nacheinander besuchen. Normale Rechner brauchen mit steigender Anzahl der Städte enorm viel Rechenzeit.

Adleman erzeugte nun für jede Stadt einen kleinen eindeutigen DNS-Strang. Diese wurden durch einen Prozeß (die Polymerase-Kettenreaktion) um ein abermilliardenfaches kopiert. Die Stränge wurden alle in ein Reagenzglas gekippt und man wartete, bis diese sich aneinanderhängten und so längere Einheiten bildeten. Bei diesen zufällig entstandenen Strängen kann man nicht sicher sein, daß eine korrekte Lösung dabei ist, aber es ist bei der hohen Anzahl der DNS-Stränge sehr wahrscheinlich, daß dennoch mehrere korrekte Lösungen vorhanden sind. In den folgenden Schritten wurden spezielle Enzyme eingesetzt, die die vornerein falschen Stränge zerstörten (falsche Anfangs- bzw. Endstadt, bestimmte Stadt im Strang nicht vorhanden) und anschließend das Ergebnis wieder abermilliardenfach kopiert. Das Ergebnis mußte jetzt nur noch abgelesen werden.

Zwar haben solche DNS-Computer eine enorm hohe Fehlerrate, aber wären bei entsprechender Konstruktion dennoch verläßlich.