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Roboter mit Energiespargang / Bessere Detektoren für quantenkryptographische Datenübertragung

Auf der Jahrestagung der amerikanischen Wissenschaftsgesellschaft AAAS (American Association for the Advancement of Science) in Washington sind Roboter vorgeführt worden, die mit ihrer Energie bemerkenswert sparsam haushalten und einen erstaunlich menschenähnlichen Gang an den Tag legen. Spielzeugpuppen aus dem 19. Jahrhundert, die, kurz angestupst, von selbst auf einer schiefen Ebene heruntermarschieren können, standen für diese Zweibeiner Modell. In den späten 1980er Jahren brachten unter anderem watschelnde Holzpinguine die Robotiker auf die Idee der „passive dynamic walkers“, nach der ein Roboter Schwerkraft und Trägheit für seine Zwecke nutzen können soll.

Motorgetrieben und nicht nur rein passiv sind die drei Robotertypen trotzdem, damit sie nicht nur bergab, sondern auch auf ebenen Flächen einherschreiten. Ausgetüftelt haben sie Forscherteams an der Cornell University in Ithaca (New York), der Technischen Universität Delft in den Niederlanden sowie dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge, die ihre Entwicklungen auch in der Fachzeitschrift „Science“ beschreiben (Bd. 307, S. 1082). Vor allem der Geher der Cornell University glänzt in Sachen Effizienz. Bezogen auf die Gewichtseinheit und zurückgelegte Strecke verbraucht er nur in etwa so viel Energie wie ein gehender Mensch. Damit steht er bei rund einem Zehntel dessen, was der berühmte, von Honda entwickelte Asimo aufwenden muss, bei dem hinter jeder Bewegung Motorkraft steckt. Allzu oft wird dabei Schwung ausgebremst, der eigentlich der Bewegung zugute kommen könnte - weshalb sich Asimos Motoren gewissermaßen selbst im Weg stehen.

Bei den drei neuen Gehautomaten sind die Motoren dagegen nur punktuell im Einsatz. Für das Vorwärtskommen des Exemplars aus Ithaca sorgen Servomotoren, die Federn an den Fußgelenken spannen. Berührt nun das vordere Bein den Boden, registriert das ein Sensor. Im selben Moment ergeht von einem Mikrochip die Order, die Feder des anderen Beins zu lösen. Dieses stößt sich ab und schwingt vorwärts, woraufhin der Zyklus von vorne beginnt. Etwas anders funktionieren seine „Cousins“: Beim Delfter Roboter „Denise“ gibt es im entscheidenden Moment einen pneumatischen Stoß aus der Hüfte, während die Fußgelenke seines Pendants vom MIT direkt von Elektromotoren bewegt werden. „Toddler“, wie dieser Zweibeiner von seinen Erbauern genannt wird, ist außerdem mit einem Lernprogramm ausgestattet. Wie ein Kleinkind fängt er bei Null an - in seinem Fall ohne irgendwelche Vorgaben in der Steuerung -, um sich innerhalb von einigen Minuten oder etwa 600 Schritten das Laufen selbst beizubringen. Im Unterschied dazu ist die Steuerung der beiden anderen Typen ausgesprochen simpel gehalten.

So ist es auch kein Wunder, dass die Fähigkeiten der drei eher bescheiden sind. Sie können einzig und allein geradeaus gehen. Von Treppensteigen, Tanzen und anderen Kunststücken, die Asimo und seine Kollegen bewältigen (c't 16/2003, S. 18), kann noch keine Rede sein. Dennoch ist nahe liegend, dass sich die Konstrukteure der letzteren wohl etwas von den „passive dynamic walkers“ abschauen werden, um endlich das Energie- und das daraus folgende Batterieproblem in den Griff zu bekommen. (anm)

In der Quantenkryptographie und der Grundlagenforschung rund um Quantencomputer stehen und fallen die Bemühungen mit der Beherrschung der quantenphysikalischen Eigenheiten von Photonen, insbesondere der Verschränkung der Lichtteilchen: Wenn Licht der Informationsträger ist, müssen die Forscher im Idealfall imstande sein, einzelne Photonen kontrolliert auszusenden und verlässlich zu registrieren. Vor allem für die quantenkryptographische Datenübertragung via Glasfaserkabel, wie sie viele Teams weltweit durchführen, darunter Nicolas Gisin in Genf (c't 7/02, S. 54), Forscher bei Mitsubishi (c't 26/02, S. 50) sowie Toshiba Research Europe (c't 13/03, S. 52), braucht es effizientere Detektoren, die nicht nur auf einen kleinen Bruchteil der auftreffenden Photonen ansprechen. Fehldetektionen sollten dagegen möglichst gar nicht auftreten.

Detektoren, die Quantenpunkte ausnutzen, könnten die Beschränkungen der bisher verwendeten Avalanche-Photodioden überwinden. Quantenpunkte sind Regionen aus halbleitendem Material von nur einigen Nanometern Größe. Die Elektronen in ihnen nehmen nur bestimmte diskrete Energien ein, weshalb sie manchmal „künstliche Atome“ genannt werden. Insbesondere können sie nur eine kleine Anzahl von Elektronen tragen, was den Forschern die Kontrolle selbst über einzelne Elektronen und Photonen gibt.

Einen mit Quantenpunkten funktionierenden Detektor stellte Toshiba Research Europe in Zusammenarbeit mit der University of Cambridge in der Fachzeitschrift Physical Review Letters vor (Bd. 94, 067401). Emitter und Kollektor der Tunneldiode, die bei tiefen Temperaturen betrieben wird, bestehen aus Galliumarsenid, wie auch ein Gutteil des Sandwichs dazwischen. Darin ist zum einen eine Schicht mit Quantenpunkten aus Indiumarsenid eingearbeitet, zum anderen eine Doppelbarriere, die aus anderen Verbundhalbleitern gefertigt ist. Elektronen und andere quantenmechanische Teilchen können das Hindernis durchtunneln.

Der daraus folgende Tunnelstrom variiert mit der angelegten Spannung und ist bei einem bestimmten Wert „resonant“, fällt also besonders hoch aus. Sind nun Elektronen in den Quantenpunkten gefangen, verändert sich der Tunnelstrom. Einzelne Photonen sind imstande, einen Quantenpunkt zu entladen, was sich als Stufe im Tunnelstrom bemerkbar macht. Allerdings können auch damit nur zwölf Prozent der einfallenden Photonen nachgewiesen werden, was aber gegenüber den bisherigen Quantenpunkt-Bauelementen dieser Gruppe mit weniger als einem Prozent immerhin eine deutliche Steigerung ist.

Weitere Verbesserungen auf 65 Prozent sind nach Meinung der Forscher in Reichweite. Von Doppelbarrieren, die nur ein Drittel so dick sind, versprechen sie sich außerdem einen um Größenordnungen stärkeren Tunnelstrom samt ebenso drastisch gesteigerter Zeitauflösung. (anm)