Wer hätte damit gerechnet? Erster Computer aus Flüssigkeit und Teilchen gebaut

Anbieter zum Thema

Universität Konstanz

Föhrenbach GmbH

Maxon Motor GmbH

Renishaw GmbH

Konstanzer Forscher haben gezeigt, dass man Computer nicht unbedingt mit elektronischen Schaltkreisen aufbauen muss ...

Mit wachsender Komplexität der Aufgaben steigen beim klassischen Computeraufbau sowohl der technische Aufwand als auch der Energieverbrauch. Doch die kollektive Bewegung mikroskopischer Oszillatoren eröffnet eine neue Form der Informationsverarbeitung,wie Forscher der Universität Konstanz und aus Stuttgart sagen. Auch moderne künstliche neuronale Netze bestehen letztlich aus vielen solcher einfachen Einheiten, deren Verschaltung gezielt entworfen und optimiert werden muss. Um das zu beweisen, haben sie erstmals das sogenannte „Reservoir Computing“ mit oszillierenden Teilchen in einer Flüssigkeit durchgeführt. Dabei geht es um einen Computer, der aus mehreren hundert mikroskopisch kleinen Teilchen besteht, die sich in einer Flüssigkeit annähernd auf Kreisbahnen bewegen, wie es weiter heißt. Und anstatt die Informationen in präzise konstruierten elektronischen Schaltkreisen zu verarbeiten, nutzt ihr System die komplexe Dynamik der Wechselwirkungen im Kollektiv dieser Teilchen.

Mittels Teilchendynamik wesentlich einfacher rechnen

Die Daten werden dabei als Eingabesignal auf das Teilchensystem übertragen. Weil sich diese in der Flüssigkeit bewegen, führt das Ganze zu einer starken Kopplung ihrer Auslenkungen, wodurch ein verschlungenes Netzwerk gegenseitiger Wechselwirkungen entsteht. Das System reagiert deshalb auf die Eingabe mit einer komplexen, kollektiven Dynamik, die den zentralen Teil der Informationsverarbeitung ausmacht, wie die Forscher erklären. Speziell diese Dynamik erzeugt auf natürliche Weise und in Echtzeit komplexe Repräsentationen der Eingangsdaten, für die herkömmliche Computer erheblichen Rechenaufwand benötigen würden, wie man betont. Und die eigentliche Auswertung werde erstaunlich einfach: Man misst gezielt bestimmte, relativ simple Eigenschaften der Teilchenbewegung und kombiniert sie, um die gewünschte Ausgabe zu erhalten. Dieses Prinzip heißt Reservoir Computing und wurde nun erstmals in einem mikroskopischen Vielteilchensystem realisiert.

Donnerwetter! Chaotische Zeitreihen sind präzise vorhersagbar

Anders als bei klassischen Rechnern muss man die zugrunde liegende Dynamik weder im Detail verstehen, noch vollständig kontrollieren, so Clemens Bechinger, Professor für Soft Condensed Matter an der Universität Konstanz und Mitglied des Centre for the Advanced Study of Collective Behaviour. Entscheidend sei nur, dass das System zuverlässig auf Eingaben reagiere – dann ließe sich dessen Physik direkt zur Informationsverarbeitung nutzen. Mit dem innovativen Computeransatz konnte man unter anderem chaotische Zeitreihen präzise vorhersagen. Besonders bemerkenswert sei auch, dass sich durch das Verfahren kleinste Unregelmäßigkeiten im Muster unregelmäßiger Eingangsdaten erkennen ließen. Vor allem bei stark verrauschten Messdaten ist das von Vorteil – etwa in puncto Seismologie oder Klimaforschung. So könnten die feinen Veränderungen wichtige Frühwarnsignale sein. Auch wenn alles noch im Labor stattfinde, seien es doch Ergebnisse, die zeigten, dass so etwas durchaus machbar sei. Das könnte zu energieeffizienteren Rechnern führen und zu smarten Sensoren, die Daten dort sammeln würden, wo sie entstehen.

(ID:50909092)