Onderzoekers hebben een logische poort – een bouwsteen voor computers – gebouwd die trillingen in plaats van elektronen gebruikt. Daardoor verwerkt hij informatie zeer energie-efficiënt.

Wetenschappers hebben een computeronderdeel gemaakt dat geen gebruik maakt van elektronen, maar van trillingen. Daardoor kan het onderdeel de fysieke ondergrens voor energieverbruik bij het verwerken en verzenden van informatie benaderen.

De minimale hoeveelheid energie die een computer nodig heeft om een rekenstap uit te voeren, wordt de ‘Landauer-limiet’ genoemd, naar de natuurkundige Rolf Landauer uit de jaren zestig. In zijn berekeningen hield Landauer geen rekening met computerontwerp, maar met de energiekosten die nodig zijn om informatie te manipuleren, zoals het wissen of herschrijven van een bit.

Gemurmel in de ruimte
LEES OOK
Gemurmel in de ruimte

Trillingen

Gewone computers bestaan uit halfgeleiders. Ze werken door de stroom van elektronen binnen verschillende circuits te reguleren om bewerkingen uit te voeren. Om te voorkomen dat schommelingen in warmte de bewegingen van de elektronen beïnvloeden en fouten veroorzaken, wordt energie verbruikt. Het energieverbruik van computers is dan ook ongeveer tienduizend maal hoger dan de Landauer-limiet.

Zogenoemde nanomechanische computers, die gebruikmaken van minuscule trillingen in plaats van elektronen, zouden deze extra energiekosten niet hebben. Warwick Bowen, quantumwetenschapper en nanotechnoloog aan de Universiteit van Queensland in Australië, heeft nu met collega’s een nanomechanische logische poort gemaakt. Dat is een basisbouwsteen van zo’n nanomechanische computer.

De poort bevat een membraan dat duizend keer dunner is dan een menselijke haar. Bowen zegt dat die lijkt op een ‘nanoscopische trampoline’ die kan trillen over lage of hoge afstanden, oftewel amplitudes. De twee amplitudes kunnen in een elektronische computer de waarden 0 en 1 hebben, zodat de computer berekeningen kan uitvoeren door de trillingen te versterken of te dempen.

Informatie wordt in de poort ingevoerd door een geluidsgolf, een bewegende trilling. De output van de poort, een zeer eenvoudige berekening, komt dan via een geluidsgolf in een andere poort van hetzelfde ontwerp. In plaats van elektronen door een draad, beweegt nu geluid tussen chips in een computer.

Toepassing

‘Alles wat je met een elektronische, met halfgeleiders werkende computer kunt doen, kun je ook met deze computers doen’, zegt Bowen. Tegelijkertijd zegt hij dat de nieuwe poort nog niet op de Landauer-limiet werkt: zijn team baseert zich op theoretische berekeningen waaruit blijkt dat de poort ongeveer duizend keer kleiner moet zijn om daar te komen.

Volgens nanotechnoloog Raj Mohanty van de universiteit van Boston, wiens team meer dan vijftien jaar geleden een van de eerste nanomechanische poorten maakte, is het nu ook mogelijk om nanomechanische poorten massaal te produceren op siliciumchips in commerciële faciliteiten.

Nanomechanische computers zullen waarschijnlijk niet de computers uit het dagelijks leven vervangen, maar ze zouden wel geschikt kunnen zijn voor in satellieten, aldus Bowen. Een nanomechanische computer zonder draden en elektronica zou bestand zijn tegen extreme omstandigheden zoals zonnevlammen, waardoor hij in zo’n geval geen informatie verliest.