Lichtgeschwindigkeit war gestern – EU fördert bereits das gedankenschnell rechnende photonische Computersystem

Nach dem Vorbild der superschnellen Informationsverarbeitung des menschlichen Gehirns konzipiert das Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung eine revolutionäre Hochleistungs-Rechentechnologie. Das im Januar 2010 gestartete Projekt „PHOCUS" wird photonische, mit Licht kommunizierende Systeme entwickeln. So wird die Zukunft komplexer Berechnungen mit großen Datenmengen aussehen.

Entsprechend der Bedeutung des Projekts ist ein beachtliches Konsortium europäischer Forschungseinrichtungen in das Vorhaben eingebunden. Claudio Mirasso, der Projektkoordinator von der spanischen Universitat de les Illes Balears erläuterte uns das Aufgabenspektrum an folgendem Beispiel:

„Das Gesicht einer bekannten Person unter vielen zu erkennen ist eine komplexe Aufgabe. Das menschliche Gehirn kann ein solches Problem jedoch schon in Sekundenbruchteilen lösen. Wie die elektrischen Signale der Milliarden von Nervenzellen des Gehirns zur Lösung solcher Aufgaben organisiert werden ist eine der großen Fragen der Hirnforschung."

Informationen über auslösende Reize erlangen
Hirnforscher vergleichen die Reaktion des menschlichen Gehirns auf äußere Reize mit der Reaktion einer Flüssigkeit auf eine Störung, etwa einen Stein, der ins Wasser geworfen wird. Anhand der Wellen beim Aufprall kann festgestellt werden, wann und wo der Stein die Oberfläche getroffen hat. Ebenso lassen sich anhand der Reaktion neuronaler Netzwerke (als „Reservoirs" bezeichnet) eindeutige Informationen über die auslösenden Reize zu erschließen.

Heute können Computermodelle neuronaler Netzwerke erst wenige Reize erkennen, weil das Zusammenspiel ihrer Bestandteile für jeden neuen Input erst eingestellt werden muss. Nach dem Konzept der so genannten Reservoir-Rechnung kann dieses Problem jedoch umgangen werden, da nur der Auslese-Mechanismus für berechnete Daten eingestellt werden muss.

„Erste Experimente haben gezeigt, dass das Auslesen der Daten deutlich einfacher zu trainieren ist als die Reservoirs selbst", erläutert Jürgen Kurths vom Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung.

Wie funktioniert die Reservoir-Rechnung?
Äußere Reize oder Inputs können für eine gewisse Zeit im Reservoir nachgewiesen werden - ähnlich wie der Aufschlag eines Steins auf der Wasseroberfläche anhand der entstandenen Wellen. Diese Form der Speicherung und die einsetzende Reaktion des Reservoirs wandeln den Input in eine große Zahl dynamischer Zustände des Reservoirs um. So erzeugen sie einen hochdimensionalen Raum der Zustände. Der Vorteil der Reservoir-Berechnung liegt darin, dass die Reaktion des Reservoirs im hochdimensionalen Raum der Zustände leichter zu erkennen ist, als im ursprünglichen Input-Raum mit weniger Dimensionen.

Die Anzahl der Dimensionen im Input-Raum entspricht beispielsweise der Anzahl von Merkmalen, die dazu notwendig ist, ein bekanntes Gesicht zu erkennen. Schon in früheren Arbeiten wurde gezeigt, dass die Identifizierung im hochdimensionalen Raum genutzt werden kann, um verschiedene Inputs zu klassifizieren.

Kern der Reservoir-Berechnung ist das komplexe Zusammenspiel zweier gekoppelter, nicht-linearer dynamischer Systeme: der Speicherung des Inputs im Reservoir und dessen einsetzender Reaktion. In den letzten Jahren ist die Erforschung der Dynamik gekoppelter komplexer Systeme und insbesondere des Auftretens von Synchronisation weit vorangeschritten. Photonische Systeme haben dabei eine Schlüsselrolle und dienen auch als Muster für die Nutzbarkeit komplexen Verhaltens.

Hirnfunktionen verstehen und nachbilden
Der Informationsaustausch zwischen Physikern, die Laser und nichtlineare Dynamiken erforschen, sowie Neurophysiologen und Hirnforschern führte schließlich zu der Erkenntnis, dass photonische Systeme genutzt werden könnten, um Hirnfunktionen zu verstehen und nachzubilden.

Die Reservoir-Berechnung mit photonischen Systemen könnte vielfältig angewendet werden - wenn es da nicht noch eine Reihe ungelöster Probleme gäbe. Die Systeme können für extrem schnelle Datenverarbeitung eingesetzt werden und sind dabei kompatibel mit bereits verfügbarer Telekommunikationstechnologie. Große photonische Systeme in bestehende Technologie einzubinden ist jedoch noch eine technologische Herausforderung - und zudem kostenaufwändig.

Das PHOCUS-Konsortium verfolgt nun den neuen Ansatz, die Funktionalität eines komplexen Netzwerks mit nur wenigen photonischen Komponenten herzustellen. Dabei werden die auftretenden zeitlichen Verzögerungen bei Rückkopplungen oder Kopplungen eines oder mehrerer Laser genutzt. Das Ziel der Wissenschaftler des Projekts PHOCUS ist es nun, die Reservoir-Berechnung mithilfe photonischer Systeme für die Hochgeschwindigkeits-Datenverarbeitung einzusetzen. Damit wären Alternativen zu Supercomputern oder Computerclustern für solche Anwendungen möglich, die geringe Größe und geringen Energiebedarf erfordern.

Photonische Systeme für neue Rechentechnologien?
Mit einem Budget von 2.394.000 Euro erforscht das PHOCUS-Konsortium, ob photonische Systeme für neue Rechentechnologien nach dem Vorbild neuronaler Netzwerke eingesetzt werden können.

Das auf drei Jahre angelegte Projekt wird von der spanischen Universitat de les Illes Balears koordiniert. Partner sind Consejo Superior de Investigaciones Cientificas, Spanien, das Frankfurt Institute for Advanced Studies, die Université de Franche-Comte, Frankreich, die Universidad de Cantabria, Spanien das Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung und die Vrije Universiteit Brussel, Belgien. 

Weitere Informationen finden Sie unter der Projekt-Website PHOCUS.

Autor: Hans Peter Hahn