Künstliche Intelligenz pr?gt unseren Alltag immer mehr: Chatbots beantworten Serviceanfragen, KI formuliert Texte und entwirft Bilder und Gesichtserkennung entsperrt Millionen Smartphones weltweit. Doch die dafür ben?tigten Computer werden immer gr??er, teurer und energiehungriger. Moderne KI-Modelle bringen die g?ngige Hardware zunehmend an ihre Grenzen – ein Problem, das sich in den kommenden Jahren weiter versch?rfen wird.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Friedrich-Schiller-Universit?t Jena wollen deshalb in einer neuen Nachwuchsgruppe optische Computer entwickeln, die nicht mit Elektrizit?t, sondern mit Licht arbeiten, und dafür Recheneinheiten nutzen, die so klein sind wie die atomaren Bausteine eines Kristalls. Dieses Konzept k?nnte die KI-Rechenleistung deutlich erh?hen und eine extrem energieeffiziente, kompakte und nachhaltige Alternative zu heutigen Supercomputern er?ffnen. Das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt f?rdert das Projekt ?PicPhotMat – Strukturierte Materialien für picophotonisches analoges Computing? im Rahmen seines Programms ?NanoMatFutur? mit insgesamt 2,3 Millionen Euro für fünf Jahre.

?Moderne KI-Methoden basieren auf neuronalen Netzen und erreichen eine dem Gehirn ?hnliche Leistungsf?higkeit bei Aufgaben, die für traditionelle Computer eine Herausforderung darstellen, für Menschen jedoch leicht zu bew?ltigen sind?, erkl?rt Dr. Elena Goi, die Leiterin der neuen Nachwuchsgruppe an der Universit?t Jena. ?Optische Systeme eignen sich hervorragend dafür, die gro?en Datenmengen, mit denen neuromorphe – also dem Gehirn nachempfundene – Systeme umgehen, schnell zu verarbeiten. Sie k?nnen komplexe mathematische Operationen an gro?en Matrizen, welche die grundlegenden Bausteine der KI-Algorithmen darstellen, mit deutlich h?herer Energieeffizienz ausführen als herk?mmliche Prozessoren und übertreffen dabei die heute üblicherweise verwendeten siliziumbasierten elektronischen Technologien.?

Eine Million Mal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haars

Trotz ihres gro?en Potenzials sind diese neuromorphen optischen Systeme bislang noch nicht bereit für breite Anwendungen. Ein Hauptgrund: Sie lassen sich bislang nur schwer verkleinern und in gro?er Zahl auf einem Computerchip integrieren. Zurzeit ben?tigen künstliche optische Neuronen noch viel Platz auf einem Chip, selbst wenn modernste Fertigungstechniken eingesetzt werden.

Sogenannte Metamaterialien erm?glichen zwar sehr kompakte Elemente zur Informationsverarbeitung, doch diese sind typischerweise statisch und müssen für jede Anwendung ma?geschneidert werden. Für vielseitige KI-Systeme, die flexibel auf unterschiedliche Aufgaben reagieren sollen, ist das zu aufwendig. Genau hier setzt ?PicPhotMat? an und sucht nach einem Weg, optische Bauelemente so miniaturisiert und flexibel zu gestalten, dass sie sich ?hnlich vielseitig einsetzen lassen wie heutige elektronische Computerchips.

?Unser Projekt bringt neueste Erkenntnisse der sogenannten Pikophotonik zum Einsatz, einem Forschungsfeld, das die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie auf Abst?nden untersucht, die eine Million Mal kleiner sind als der Durchmesser eines menschlichen Haares?, erkl?rt die Physikerin der Universit?t Jena. ?Die Interaktion von Licht und Materie in dieser Gr??enordnung hat das Potenzial, das Verhalten von Licht auf leistungsstarke Weise zu beeinflussen. Dadurch er?ffnen sich v?llig neue M?glichkeiten für die Entwicklung hochkompakter, energieeffizienter und skalierbarer optischer neuromorpher Systeme.?

Mit dieser besonderen Technologie will das Projekt ?PicPhotMat? den Weg zu einer nachhaltigen und leistungsstarken KI-Hardware für die Zukunft ?ffnen. Die Forschenden wollen Chips entwickeln, die weniger Energie ben?tigen und gleichzeitig deutlich mehr leisten als heutige Systeme. Zudem soll das Projekt neue Einblicke darin liefern, wie Licht und Materie auf kleinster Ebene zusammenwirken – Wissen, das langfristig v?llig neue technische M?glichkeiten er?ffnen k?nnte.