⚡ KI mit Lichtgeschwindigkeit: Das ist möglich

Vor fast achtzig Jahren markierte der ENIAC den Beginn der elektronischen Ära. Heutzutage basieren unsere Computer immer noch auf dem gleichen Prinzip: bewegten Elektronen. Doch diese Technologie stößt an ihre Grenzen, insbesondere für die künstliche Intelligenz.

Forscher der University of Pennsylvania schlagen daher eine Alternative vor: Quasiteilchen, die Licht und Materie verbinden und Berechnungen ohne Elektronen durchführen können. Diese Teilchen, Exziton-Polaritonen genannt, könnten Elektronen in bestimmten Aufgaben ersetzen und bieten Geschwindigkeit sowie geringen Energieverbrauch.


Elektronen tragen eine elektrische Ladung, was Wärme und Widerstand erzeugt, wenn sie sich in Chips bewegen. Je größer die KI-Systeme werden, desto mehr verschlimmern sich diese Probleme. Die Wärmeableitung wird zu einem großen Problem, und die verschwendete Energie bremst die Leistung. Die Forscher suchen daher nach Alternativen, um diese thermischen und energetischen Engpässe zu vermeiden.

Photonen, Lichtteilchen, scheinen ideal: Sie haben keine Ladung und bewegen sich schnell ohne Verlust. Aber sie interagieren sehr wenig mit ihrer Umgebung, was sie schlecht für logische Schaltoperationen macht, die in der Informatik essenziell sind. Wie Li He, ehemaliger Forscher des Zhen Lab, erklärt, sind Photonen hervorragend darin, Informationen über weite Strecken zu transportieren, aber ihre Neutralität hindert sie daran, die Art von binären Entscheidungen zu treffen, die Computer erfordern.

Exziton-Polaritonen sind Quasiteilchen, die durch die Kopplung von Photonen mit Elektronen in einem ultradünnen Halbleiter entstehen. Diese Verbindung bringt ein hybrides Objekt hervor, das die Geschwindigkeit des Lichts mit der Wechselwirkungsfähigkeit von Materie kombiniert. Den Forschern ist es gelungen, diese Teilchen in einer Nanokavität zu erzeugen, was den Weg für volllogische Operationen ohne Elektronen ebnet.

Für die KI ist dieser Fortschritt bedeutend. Aktuelle photonische Chips nutzen Licht, müssen die Signale jedoch für nichtlineare Schritte, wie Entscheidungen, in Elektrizität umwandeln. Diese wiederholten Umwandlungen verlangsamen und verbrauchen Energie. Mit Exziton-Polaritonen ist es möglich, diese Operationen direkt mit Licht durchzuführen, wodurch die kostspieligen Hin- und Rückwege zwischen Photonen und Elektronen entfallen.

Das Team hat eine volllichtbasierte Schaltung mit nur 4 Billiardstel Joule demonstriert, einer winzigen Energiemenge. Dies ebnet den Weg für viel effizientere Chips. Wenn die Technologie skalierbar wird, könnte sie es ermöglichen, Licht direkt ohne ständige Umwandlungen zu verarbeiten, wodurch der Energieverbrauch von KI-Systemen drastisch gesenkt wird.

Langfristig könnten diese photonischen Chips den Energiebedarf großer KI-Modelle erheblich reduzieren. Sie könnten sogar grundlegende Quantenrechenfunktionen unterstützen. Die Forscher unter der Leitung von Bo Zhen erforschen weiterhin die Möglichkeiten, aber das Potenzial ist enorm. Ihre Ergebnisse wurden in Physical Review Letters veröffentlicht.

Was ist ein Exziton-Polariton?

Ein Exziton-Polariton ist ein hybrides Quasiteilchen, das aus der Kopplung eines Photons mit einem Exziton (einem Elektron-Loch-Paar) in einem Halbleiter entsteht. Diese Mischung verleiht dem Teilchen einzigartige Eigenschaften: Es verhält sich sowohl wie eine Lichtwelle, also sehr schnell, als auch wie ein materielles Teilchen, das Wechselwirkungen eingehen kann.

Diese Quasiteilchen bilden sich typischerweise in optischen Kavitäten von nanometergroßer Größe, in denen das Licht eingeschlossen ist. Die Wahl eines atomdünnen Halbleiters wie Molybdändisulfid ermöglicht eine feine Kontrolle der Eigenschaften über eine elektrische Spannung.

Das Potenzial für die Informatik ist enorm: Exziton-Polaritonen ermöglichen logische Operationen mit Lichtgeschwindigkeit. Sie könnten somit Elektronen in bestimmten Schlüsselfunktionen von Prozessoren ersetzen.