Infrarot-Detektor erkennt einzelne Photonen
Ein von Forschern an der University of Rochester entwickelter Infrarot-Detektor könnte die Qualitätsprüfung von Computerchips entscheidend verbessern.
Ein von Forschern an der University of Rochester entwickelter Infrarot-Detektor könnte die Qualitätsprüfung von Computerchips entscheidend verbessern. Damit ist es möglich, die Milliarden von Transistoren auf modernen Pentium- und PowerPC-Chips schnell und effizient nach einzelnen fehlerhaft funktionierenden Transistoren zu überprüfen. Darüber berichten die Wissenschaftler jetzt in einem Aufsatz für das Fachblatt "Applied Physics Letters" (Picosecond superconducting single-photon optical detector, August 6, 2001, Volume 79, Issue 6 pp. 705-707).
Um die Transistoren zu überprüfen, bedienen sich die Forscher eines physikalischen Tricks: Beim Umschalten strahlen Transistoren manchmal einen Lichtblitz im Infrarotbereich ab, der nur für Piko-Sekunden zu sehen ist. Anhand dieses Lichtblitzes lässt sich der Zustand des Transistors bestimmen. Herkömmliche Detektoren zur Überprüfung von Halbleitern können jedoch entweder im Infrarotbereich nichts erkennen, der Blitz ist für sie einfach zu schnell oder sie sehen Blitze, wo gar keine sind.
Ursprünglich wurde die Technologie in Russland zu Forschungszwecken in der Astronomie entwickelt; der Detektor sollte die Wärmestrahlung sichtbar machen, die von Kalten Sternen im Weltraum abgegeben wird. "Wir kontaktierten einfach die Forschergruppe an der Moscow State Pedagogical University, die Supraleiter in der Radio-Astronomie einsetzten", erklärt der Elektro- und Computerprofessor und Mitentwickler Roman Sobolewski von der Rochester-Universität, wie der Kontakt zwischen den beiden Forscherteams vor fünf Jahren zustande kam. "Die oberen Radiowellen, die sie untersuchten, sind wirklich nur schwach im Infrarotbereich zu erkennen, sodass wir uns mit den Moskauern zusammentaten und ihre Technik in unseren Detektor einbauten".
Die russischen Forscher hatten herausgefunden, dass ultradünne Streifen der metallischen Verbindung Niobium-Nitrit, nur einen Millionstel-Meter breit und nur einige Atome dick, einzelne Photonen erkennen konnten. In einem Behälter, gefüllt mit flüssigem Helium bei einer Temperatur von 4.2 Kelvin werden die in Moskau gefertigten Streifen zu einem Supraleiter, der in der Lage ist, Elektrizität ohne Widerstände (beispielsweise im Gegensatz zu Kupferkabeln) zu leiten.
Dieser fehlende Widerstand, so erklären die Forscher, macht den Supraleiter vergleichbar mit einem ruhigen See: sobald ein Stein hineingeschmissen wird, erkennt man die kleinen Wellen. So lässt sich auch ein einzelnes Photon, das in das Material quasi hineinplumpst, vom Detektor erkennen. Im Gegensatz dazu sind die herkömmlichen Photonen-Detektoren voll mit Störgeräuschen, wie ein Sturm über dem stillen See, sodass sie die bei einem Systemtakt im Chip infrarot aufflackernden ein oder zwei Photonen einfach verpassen oder ihre eigenen Störgeräusche als ein eintreffendes Photon fehldeuten. Mit dem nun wesentlich genauer arbeitenden Detektor lässt sich über das Infrarotsignal einiges über den untersuchten Chip aussagen, beispielsweise, ob die Transistoren zur richtigen Zeit umschalten, was bei den heutigen Taktfrequenzen von großer Bedeutung ist. Mit dem Infrarot-Detektor lassen sich auf Grund seiner Genauigkeit und Schnelligkeit auch die schnellsten heute erhältlichen Prozessoren testen.
Das Patent an dem Detektor besitzen neben Sobolewski und seinen russischen Kollegen auch Ingenieure der Firma Schlumberger Semiconductor Solutions, ein kalifornisches Unternehmen, das Testgeräte für integrierte Schaltungen herstellt und die Entwicklung des Detektors gesponsert hat. Das könnte sich gelohnt haben, denn der Detektor könnte auch noch für andere Anwendungen nützlich sein. "Die NASA ist an unserem Detektor für die Kommunikation zwischen Mars und Erde interessiert", berichtet Sobolewski. "Wenn man es mit solch großen Distanzen zu tun hat, dann ist man normalerweise nur in der Lage, wenige Photonen einzufangen, die von einer Sendeanlage auf dem Mars gesendet werden". Der Detektor könnte so die Kommunikation verbessern. Auch die in Zukunft geplante Quantenverschlüsselung, bei der Bits als einzelne Photonen kodiert und übertragen werden, erlaubt dann eine sichere, nicht entzifferbare Kommunikation.
Das russische Team hat sein ursprĂĽngliches Ziel inzwischen auch erreicht. Der Radio-Astronomie-Detektor wurde gerade auf dem Mount Graham in Arizona installiert. Dort soll er untersuchen, wie Sterne geboren werden. (Andreas Grote) / (jk)
