Von der Natur lernen – Das Programm „Natural, Artificial and Cognitive Information Processing“

Die meisten Menschen tun sich schwer, die Wurzel aus einer großen Zahl zu ziehen, erkennen aber sofort ein bekanntes Gesicht in einer Menge. Bei Computern ist es anders herum. Dennoch kann man lernfähige Algorithmen trainieren, Muster zu erkennen. Das natürliche Lernen per Software zu simulieren, ist jedoch aufwendig und erfordert Unmengen an Rechenkraft und somit auch Energie.

Die Natur schafft diesen Lernprozess sehr viel effizienter. Das Gehirn des Menschen verbraucht kaum mehr Energie als eine LED-Leuchte. Angesichts rasant wachsender Datenmengen und immer komplexerer Aufgaben wächst das Bedürfnis nach gänzlich neuen Rechnerkonzepten, deren Hardware die Tricks der Natur anwendet. Im Programm „Natural, Artificial and Cognitive Information Processing“ untersuchen wir, wie die Natur komplexe Information höchst elegant verarbeitet: im Gehirn, in biologischen Zellen oder in einzelnen Molekülen und Atomen. Denn schon eine einzelne Zelle funktioniert wie ein Computer: Sie detektiert biochemische Signale von außen, verarbeitet diese und gibt neue Signale ab. Dieses Wissen übersetzen wir in neue Hard- und Software, die wir als Module in unsere bestehenden Superrechner einbauen. Das Beste aus beiden Welten soll Rechner schaffen, die den Herausforderungen der Digitalisierung gewachsen sind.

Wie die neuen Computer konkret aussehen werden, wissen wir heute nur in Ansätzen. Die Wissenschaft muss die Grundlagen erst noch erarbeiten. Sie muss besser verstehen, wie Zellen oder einzelne Moleküle Information verarbeiten. Quantenphänomene spielen dabei eine wichtige Rolle, denn sie eröffnen Möglichkeiten, die weit über die der klassischen Physik hinausgehen. Quantenmaterialien legen die Grundlage für disruptive Innovationen, Quantencomputer werden ein neues Technologiezeitalter einläuten. Denn mit Quantencomputern lassen sich riesige Datenmengen viel schneller verarbeiten. Ihre Einsatzmöglichkeiten sind riesig: von der Verkehrssteuerung bis zur Medikamentenentwicklung, von der Erdbeobachtung bis zur Medizintechnik. Wir entwickeln innovative Technologien, um Quantencomputer noch leistungsfähiger zu machen und den Quantenvorteil in der Praxis zu demonstrieren. Im Rahmen des Europäischen Quantum Flagships und nationalen Initiativen arbeiten wir an der Realisierung eines Quantencomputers in Europa.

Solche neuen Computer brauchen neue Materialien, weil nur so neue Funktionalitäten bereitgestellt werden können. Um etwa eine Synapse im menschlichen Gehirn nachzuahmen, entwickeln wir innovative elektronische Bauteile, deren elektrischer Widerstand sich im Betrieb verändert. Wie eine Synapse „erinnert“ sich dieser sogenannte „Memristor“ an seine Geschichte.

Diese neuen Materialien haben oft eine äußerst feine Struktur, etwa Schichten, die nur wenige Atome dick sind. Wir wollen sogar einzelne Atome wie Legosteine platzieren, um Materialien nach einem Bauplan zu designen. Das Wissen, die Methoden und Materialien, die wir auf diese Weise gewinnen, wollen wir praktisch einsetzen, etwa indem wir Chips konstruieren, die verdrahtet sind wie das Gehirn und damit unsere Superrechner beschleunigen.

 

Factsheet:

  • Wir erforschen im Programm „Natural, Artificial and Cognitive Information Processing“, wie die Natur komplexe Informationen höchst elegant verarbeitet.
  • Daraus entwickeln wir neue Rechnerkonzepte und bauen diese als Module in unsere Supercomputer ein.
  • Zunächst erforschen wir die natürlichen Prinzipien und entwickeln daraus neue Materialien für die Computer von morgen.
  • Ein Ergebnis könnte ein Chip sein, der verdrahtet ist wie das menschliche Gehirn.
  • Wir arbeiten an neuen Technologien, um Quantencomputer noch leistungsfähiger zu machen und sie stärker in die Anwendung zu bringen.
  • Auf nationaler und internationaler Ebene kooperieren wir interdisziplinär mit anderen Forscherinnen und Forschern. Dazu bauen wir neue themenbezogene Labore wie das Helmholtz Quantum Center am Forschungszentrum Jülich.
  • Auf europäischer Ebene beteiligen wir uns an führender Stelle an zwei Flaggschiff-Programmen über das menschliche Gehirn und Quantentechnologie. Wir sind Teil des Human Brain Projects, welches das Wissen über das menschliche Gehirn in Supercomputern nachbilden will. Im Rahmen des Quantum Flagships erforschen wir alle Facetten der Quantentechnologien und bauen mit Kollegen aus ganz Europa an einem der ersten Quantencomputer in Europa, dem sogenannten „OpenSuperQ“.
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