Suchen

Max-Planck-Forscher erlösen Computer aus dem Binär-Gefängnis Abschied von 0 und 1 - Schwingungen lassen die Computer rechnen

| Redakteur: Ulrike Ostler

Ein völlig neues Prinzip Information zu verarbeiten haben Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation (MPIDS) in Göttingen entwickelt. Der „Complex Network Computer“ könnte heutigen Rechnern und dem Quantencomputer eines Tages Konkurrenz machen.

Firma zum Thema

Die neue Art des Rechnens: In Systemen gekoppelter schwingender Elemente bilden die Sattelpunkte eine Art Netzwerk. Alle logischen Operationen lassen sich in diesem gleichermaßen ausführen
Die neue Art des Rechnens: In Systemen gekoppelter schwingender Elemente bilden die Sattelpunkte eine Art Netzwerk. Alle logischen Operationen lassen sich in diesem gleichermaßen ausführen
(Bild: MPIDS)

Voraussetzung ist ein System schwingender Elemente, wie Laser, die mit einander wechselwirken können. Die Forscher konnten zeigen, dass sich die charakteristische Dynamik eines solchen Systems nutzen lässt, um sämtliche logische Operationen auszuführen.

Einige Aufgaben, etwa das grobe Sortieren von Zahlen, löst der Complex Network Computer sogar deutlich schneller als der konventionelle. In einem ersten Schritt konnten die Forscher zudem einen Roboter nach dem neuen Prinzip programmieren.

Ein Computer ist weit mehr als reine Hardware. Völlig losgelöst von dieser ist er vor allem ein Prinzip, wie sich Daten und Information verarbeiten lassen. Im Fall des konventionellen Computers liegt die Essenz somit nicht in Transistoren, Chips und Halbleitern versteckt. Vielmehr zeichnet er sich durch die Art und Weise aus, wie sich mit Hilfe zweier leicht unterscheidbarer Zustände (gemeinhin 0 und 1 genannt) Rechenoperationen ausführen lassen.

Das Pendel-Prinzip

Marc Timme, Leiter der Forschungsgruppe Netzwerk-Dynamik am MPIDS, sagt: „Völlig anders als bei der klassischen Informationsverarbeitung auf dem PC beruht unser neues Konzept nicht auf einem binären System aus Nullen und Einsen.“ Vielmehr funktioniere es im Prinzip wie ein schwingendes Pendel.

Doch auch bestimmte Stromkreise, deren Bauteile die elektrische Ladung rhythmisch unter einander austauschen, oder Laser können in übertragenem Sinne schwingen. Stehen mehrerer solcher Grundbausteine miteinander in Verbindung – wie etwa mehrere Pendel, die über eine Feder miteinander gekoppelt sind – zeigen sie ein spezielles dynamisches Verhalten, das sich tatsächlich zum Verarbeiten von Daten nutzen lässt.

Schlüssel zu diesem Verhalten sind so genannte Sattelpunkte. Gemeint sind Zustände des Gesamtsystems die in mancher Hinsicht stabil, in anderer instabil sind. „Man denke sich etwa eine Kugel, die in der Mulde eines tatsächlichen Sattels ruht“, erläutert Timme. Lenkt man diese Kugel exakt parallel zum Pferderücken aus, rollt sie zuverlässig in die Mulde zurück. Der Ausgangszustand ist gegenüber dieser Art von Störung stabil.

Die Kugel auf dem Sattel

Wird die Kugel jedoch senkrecht zum Pferderücken angestoßen, zeigt sich ein völlig anderes Bild: Die Kugel fällt herunter; der Zustand ist instabil. Im Fall gekoppelter Pendel entspricht eine bestimmte Choreographie der Schwingungen, bei der sich bestimmte Pendel synchron bewegen, einem solchem Sattelpunkt-Zustand.

Allgemein bilden in Systemen gekoppelter schwingender Elemente solche Sattelpunkt-Zustände eine Art Netzwerk: Als Reaktion auf eine äußere Störung, die einen bestimmten Sattelpunkt-Zustand destabilisiert, geht das Gesamtsystem in einen anderen Sattelpunkt-Zustand über.

„In unserem Beispielsystem führt jeder Sattelpunkt so zu zwei weiteren, die wiederum mit zwei weiteren Zuständen verbunden sind“, führt Fabio Schittler Neves vom MPIDS weiter aus. Welchen Weg sich das System in diesem Netz möglicher Zustände tatsächlich bahnt, hängt von der Art der Störung ab.

Das Sortieren der Ausschläge

„In unserem Konzept fassen wir jede Störung als Eingangssignal auf, das aus mehreren Teilsignalen zusammengesetzt sein kann“, so Schittler Neves. Jedes Teilsignal spreche eines der schwingenden Elemente des Gesamtsystems an.

Im Fall einer Gruppe gekoppelter Pendel etwa entspreche ein Teilsignal somit einem kleinen Schubs, den ein einzelnes Pendel erhält. Das Verhältnis der Stärken dieser Teilsignale gebe dann den Ausschlag, welchem neuen Sattelpunkt-Zustand das System zustrebt.

Das Eingangssignal bestimmt somit einen ausgesuchten Weg durch das Netzwerk der Sattelpunkte. Der eingeschlagene Pfad entspricht dem Ergebnis der Rechnung. „Der Zustand, den das System so annimmt, erlaubt Rückschlüsse auf das Größenverhältnis der einzelnen Teilsignale“, erläutert Timme. „Es ist eine Art Sortieren nach Größe.“

(ID:35029240)