Lösung im Licht: Innovative Mathe-Maschine rechnet besser als Chips

Eine Forschungsgruppe aus Utah hat eine optische Maschine gebaut, die mit Lichtstrahlen Gleichungen löst, für die selbst Supercomputer lange brauchen. Das System berechnet physikalische Vorgänge nicht mehr digital - sondern direkt mit Photonen.

Licht statt Silizium: Diese Maschine rechnet mit Photonen

Partielle Differenzialgleichungen sind komplexe Rechenaufgaben, die in unzähligen wissenschaftlichen und technischen Bereichen eine zentrale Rolle spielen. Sie beschreiben, wie sich physikalische Größen über Raum und Zeit hinweg verändern - etwa der Luftstrom um ein Flugzeug, die Temperaturverteilung in einem Material oder die Ausbreitung elektromagnetischer Felder.

Solche Gleichungen sind mächtig, aber schwer zu lösen. Klassische Verfahren arbeiten mit aufwendigen numerischen Simulationen. Selbst moderne Machine-Learning-Modelle schaffen nur begrenzte Beschleunigung - und benötigen dafür enorme Rechenleistung und Energie.


Die Forschungsgruppe aus Utah geht nun einen völlig anderen Weg: Sie ersetzt elektrische Rechenoperationen durch physikalische Lichtprozesse. Das von ihnen entwickelte System, genannt Optical Neural Engine (ONE), nutzt gezielt geformte Lichtwellen, um Lösungen direkt während ihrer Ausbreitung durch optische Komponenten zu erzeugen.

Technisch kombiniert das ONE-System zwei optische Verarbeitungsebenen: eine sogenannte Fourier-Ebene, benannt nach dem französischen Mathematiker Joseph Fourier, in der spektrale - also frequenzbezogene - Informationen verarbeitet werden, und eine reale Bildebene, in der räumliche Zusammenhänge abgebildet sind.

Diese beiden Ebenen werden durch spezielle Lichtbauteile miteinander verbunden: sogenannte diffraktive neuronale Netze, die mit gezielt angeordneten Lichtmustern rechnen, und optische Crossbar-Strukturen, die eine Art Licht-Matrix darstellen und Rechenoperationen parallel ausführen können. Fast alle Operationen - Faltung, Modulation, Matrixmultiplikation - erfolgen dabei vollständig mit Licht. Lediglich nicht lineare Schritte werden derzeit noch elektronisch ausgeführt.

Welche Berechnungen sind mit ONE möglich - und welche (noch) nicht?
Die Forscher demonstrierten die Leistungsfähigkeit ihrer Architektur anhand mehrerer Gleichungstypen, darunter die Darcy-Gleichung (Strömung durch poröse Medien), die Navier-Stokes-Gleichung (zeitabhängige Flüssigkeitsdynamik), Maxwell-Gleichungen (elektromagnetische Felder in Nanostrukturen) sowie gekoppelte Wärme- und Stromfluss-Prozesse in elektrischen Schaltkreisen.

Optische Rechenmaschine

Die Studie, veröffentlicht in Nature, zeigt: Die Berechnungen lassen sich mit hoher Genauigkeit ausführen - und das in konstanter Zeit, unabhängig von der Problemgröße. Die Architektur kann flexibel angepasst und für unterschiedliche Aufgaben rekonfiguriert werden. Eingesetzt werden handelsübliche Komponenten wie Flüssigkristallmodulatoren (SLMs), die Lichtwellen pixelgenau formen und leiten.

Das Optical Neural Engine ist kein Computer im klassischen Sinn. Es nutzt die physikalischen Eigenschaften von Licht zur Lösung mathematischer Aufgaben - schnell, energiesparend und skalierbar. Gerade für rechenintensive Simulationen in der Physik oder Ingenieurwissenschaft könnte dieser Ansatz ein neuer Hardwarepfad sein, der über das hinausgeht, was mit Siliziumchips heute machbar ist.


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