Mit Hilfe von Magnonen

TU Kaiserslautern will künstliches Gehirn bauen

16. März 2022, 9:18 Uhr | Heinz Arnold
Juniorprofessor Dr. Philipp Pirro, TU Kaiserslautern
Dr. Philipp Pirro, Juniorprofessor der TU Kaiserslautern: »Wir wollen ein neuartiges spintronisches Netzwerk im Nanomaßstab entwickeln, um den Grundstein für ein künstliches Gehirn zu legen, das möglichst nah am natürlichen Vorbild ist.«
© TUK/view

Der Trick dabei: Die Informationen sollen mit Hilfe von Magnonen, den Quantenteilchen der Spinwellen, übertragen werden. Die EU fördert das mit 1,5 Mio. Euro.

Denn die bisher können die auf Basis der herkömmlichen Hardware betriebenen neuromorphen Rechner die erforderlichen komplexen Verbindungen nicht abbilden: Das Gehirn mit seinen rund 100 Milliarden Nervenzellen verarbeitet Sinneseindrücke in Sekundenbruchteilen, die Zellen sind engmaschig durch Synapsen vernetzt – diese Komplexität künstlich nachzubilden, war bisher unmöglich.

Dies zu ändern ist das Ziel des neuen Projektes auf Basis von Magnonen. Juniorprofessor Dr. Phillipp Pirro von der Technischen Universität Kaiserslautern wird dazu vom Europäischen Forschungsrat (ERC) für fünf Jahre mit einem 1,5 Mio. Euro dotierten ERC Starting Grant ausgezeichnet.

In der Forschung dient das Gehirn zum Vorbild, um besonders effektive Rechner zu konstruieren, sogenannte neuromorphe Computer. Auch hier werden künstliche Neuronen über künstliche Synapsen hochgradig miteinander vernetzt. Mithilfe solcher Computer soll die Datenverarbeitung in Zukunft deutlich beschleunigt werden, was zum Beispiel für das autonome Fahren oder die Erkennung von Mustern bei komplexen Datenbanken wichtig ist.

Damit dieses System reibungsfrei läuft, ist die technische Ausgestaltung der synaptischen Verbindung von entscheidender Bedeutung. »Sie sind sehr komplex, daher ist es schwierig, sie mit herkömmlichen elektronischen Schaltungen zu realisieren«, sagt Juniorprofessor Dr. Philipp Pirro, der an der TUK im Gebiet des Magnetismus forscht. 

Das Team um den Kaiserslauterer Physiker arbeitet daran, dieses Problem zu überwinden. Dabei setzt es auf Spinwellen, den kollektiven Anregungen von Spins in einem magnetischen Material. Beim Spin handelt es sich um den Eigendrehimpuls eines Quantenteilchens, beispielsweise eines Elektrons oder Protons. Er legt damit die Grundlage für magnetischen Phänomene. 

Interessant sind Spinwellen für die Anwendung, weil ihre Quantenteilchen, die Magnonen, mehr Informationen transportieren können als Elektronen und gleichzeitig deutlich weniger Energie verbrauchen. 

In dem vom ERC geförderten Projekt »CoSpiN – Coherent Spintronic Networks for Neuromorphic Computing« sollen die Spinwellen zum Einsatz kommen, um die Verknüpfung und die Informationsübertragung zu ermöglichen. »Das Prinzip ähnelt der Breitbandkommunikation, bei der Informationen über Lichtwellen transportiert werden. Wir möchten mit Spinwellen arbeiten, die Informationen auf verschiedenen Frequenzen transportieren können«, so Pirro weiter. »Sie fungieren als Synapsen.« Als künstliche Neuronen sollen Nano-Oszillatoren dienen. Das sind winzig kleine Schwingungserzeuger, die Spinwellen aussenden.

Ziel ist es, physikalische Bausteine für ein neuartiges spintronisches Netzwerk im Nanomaßstab zu entwickeln. »Damit möchten wir den Grundstein für ein künstliches Gehirn legen, das möglichst nah am natürlichen Vorbild ist«, sagt der Kaiserslauterer Physiker. Mit einer solchen Technologie ließen sich künftig beispielsweise schnellere und leistungsfähigere Rechner realisieren. 

Die Arbeiten werden im neuen Forschungsgebäude LASE (Laboratory for Advanced Spin Engineering) auf dem Campus der TUK stattfinden. Eingebunden ist Pirros Forschung in den vom Land geförderten Profilbereich OPTIMAS (Optik und Materialwissenschaft) und den Sonderforschungsbereich (SFB/TRR 173) »Spin+X – Spin in its collective environment«, der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert wird. 

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