Max-Planck-Forscher erlösen Computer aus dem Binär-Gefängnis

Abschied von 0 und 1 - Schwingungen lassen die Computer rechnen

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Nur 100 Elemente erlauben das 1000fache aller Buchstaben

Die abgebildeten Netze gehören zu einem System aus fünf Elementen. Die Sattelpunkte sind als Punkte dargestellt. Jeder Sattelpunkt ist mit vier anderen verbunden. Zwei dieser Verbindungen führen zum jeweiligen Sattelpunkt, zwei von ihm weg. Eine Rechnung beginnt an einem Sattelpunkt. Die Störung, die diesen Sattelpunkt-Zustand destabilisiert, entspricht dem Eingangssignal der Rechenoperation. Je nach Art des Eingangssignals sucht sich das System verschiedene Wege durch das Netz der Sattelpunkte. Zwei der möglichen Wege, von denen jeder dem Ergebnis einer Rechnung entspricht, sind in dem Bild orange und blau dargestellt.
Die abgebildeten Netze gehören zu einem System aus fünf Elementen. Die Sattelpunkte sind als Punkte dargestellt. Jeder Sattelpunkt ist mit vier anderen verbunden. Zwei dieser Verbindungen führen zum jeweiligen Sattelpunkt, zwei von ihm weg. Eine Rechnung beginnt an einem Sattelpunkt. Die Störung, die diesen Sattelpunkt-Zustand destabilisiert, entspricht dem Eingangssignal der Rechenoperation. Je nach Art des Eingangssignals sucht sich das System verschiedene Wege durch das Netz der Sattelpunkte. Zwei der möglichen Wege, von denen jeder dem Ergebnis einer Rechnung entspricht, sind in dem Bild orange und blau dargestellt.
(Bild: MPIDS)

In ihrer jüngsten Veröffentlichung konnten die Forscher nun zeigen, dass sich auf dieser Fähigkeit eine komplette Logik aufbauen lässt: Alle logischen Operationen – wie etwa Addition, Multiplikation und Verneinung – lassen sich so darstellen.

Doch während beim klassischen Computer ein Bauteil – also ein Teilsystem des gesamten Computers – eine bestimmte logische Operation wie eine Addition ausführt, findet die Operation im Complex Network Computer gleichzeitig im gesamten Netzwerk statt. „Alle logischen Operationen lassen sich deswegen in diesem Netzwerk gleichermaßen ausführen“, so Professor Timme.

Dadurch können bereits relativ kleine Systeme eine unglaublich große Vielzahl möglicher Operationen ausführen: Während mit fünf schwingenden Elementen lediglich zehn verschiedene Systemzustände erreicht und somit zehn verschiedene Rechnungen ausgeführt werden können, ergeben sich für 100 Elemente bereits 5 x 10^20.

Die ersten Anwendungen

Diese Anzahl entspricht dem 10000-fachen aller Buchstaben in allen Büchern in allen Bibliotheken der Welt. Zudem löst der Complex Network Computer einige Aufgaben wie etwa das grobe Sortieren von Zahlen deutlich schneller als sein konventionelles Gegenstück.

In einer ersten Anwendung hat sich das neue Rechenprinzip bereits bewährt. So konnten die Wissenschaftler einen einfachen Roboter konstruieren, der sich selbst den Weg durch einen Hindernis-Parcour sucht. Die Eingangssignale seiner Sensoren entsprechen dabei den Störungen des Systems.

„Als Hardware könnten in diesem Fall elektrische Schwingkreise dienen“, erklärt Schittler Neves. „In unserer allerersten Anwendung haben wir mit einem herkömmlichen Computer ein solches System elektrischer Schwingkreise zunächst simuliert, um den Roboter zu steuern“, ergänzt er. An einer konkreten Umsetzung in elektronischer Hardware arbeiten die Wissenschaftler gerade.

„Von einem leistungsfähigen Computer im eigentlichen Sinne sind wir zwar noch weit entfernt“, so Forschungsgruppenleiter Timme. „Doch wir konnten zeigen, dass die Idee grundsätzlich funktioniert“, ergänzt er.

Hoffnung auf gekoppelte Laser

Der aktuelle Stand ist somit vergleichbar mit dem des Quantencomputers. Wie sich mit Hilfe von Quantenalgorithmen rechnen lässt, wird in der Theorie immer weiter aufgeklärt. Doch ob etwa Halbleiterstrukturen, Supraleiter, Anordnungen einzelner Atome oder völlig andere physikalische Systeme als Hardware in Frage kommen, ist noch immer Gegenstand der Forschung.

„Gekoppelte Pendel werden es im Falle des Complex Network Computer wohl eher nicht sein“, schmunzelt Timme. Da für ein effizientes Rechnen viele Tausende solcher gekoppelter Pendel gebraucht würden, eignet sich das System eher zur Veranschaulichung.

Größere Hoffnungen setzen die Forscher in Systeme gekoppelter Laser. Diese weisen nicht nur genau abgestimmte Frequenzen auf, die eine weitere Voraussetzung für Complex Network Computer sind, sondern zeichnen sich auch durch besonders hohe Frequenzen von bis zu einigen Milliarden Schwingungen pro Sekunde aus, mit denen ein Computer besonders schnell rechnen könnte.

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