Licht-Materie-Teilchen könnten KI-Berechnungen revolutionieren

Presper Eckert und John Mauchly entwickelte ENIAC leitete die ra des elektronischen Rechnens ein, indem er Elektronen zur Ausfhrung komplexer Berechnungen einsetzte. Moderne Computer sttzen sich auch heute noch auf diesen grundlegenden Ansatz.

Doch da KI-Systeme immer grer und anspruchsvoller werden, stoen herkmmliche Elektroniksysteme zunehmend an ernsthafte physikalische und energetische Grenzen. Warum KI die Elektronik an ihre Grenzen treibt: Elektronen tragen elektrische Ladung, was bei fortschreitender Entwicklung.

Die Bewegung Wärme und Widerstand, was Energie verschwendet und Systeme schwerer zu kühlen macht. Diese Herausforderungen nehmen zu, da KI-Hardware enorme Datenmengen verarbeiten und übertragen muss.

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Um diese Probleme zu lösen, untersuchen Physiker der Universität Penn unter der Leitung School of Arts & Sciences, ob Photonen – die Teilchen, aus denen Licht besteht – einige der Aufgaben übernehmen können, die derzeit. „Da sie elektrisch neutral sind und eine Ruhemasse, können Photonen Informationen über große Entfernungen mit minimalem Verlust schnell übertragen und dominieren die Kommunikationstechnologie", erklärt Li He, Co-Erstautor einer in Physical Review Letters veröffentlichten Arbeit und ehemaliger Postdoktorand im Zhen Lab. „Aber diese Neutralität bedeutet, dass sie kaum mit ihrer Umgebung wechselwirken, wodurch sie schlecht darin sind, die für Computer entscheidende Signalumschaltlogik zu bewältigen." Licht kann Informationen extrem effizient übertragen, verfügt jedoch normalerweise nicht über die starken Wechselwirkungen, die für Rechenoperationen wie Umschalten und Entscheidungsfindung erforderlich sind.

Licht-Materie-Quasiteilchen ermöglichen eine vollständig auf Licht basierende Rechenarchitektur. Um dieses Problem zu lösen, hat Zhen's Team spezielle Quasiteilchen namens Exzitonen-Polaritonen entwickelt. Diese ungewöhnlichen Teilchen entstehen durch die Kopplung einem atomar dünnen Halbleiter.

Das Ergebnis ist ein hybrides Licht-Materie-Teilchen, das die Geschwindigkeit des Lichts mit den stärkeren Wechselwirkungen kombiniert, die typischerweise mit Materie verbunden sind. Dieser Durchbruch könnte besonders für das KI-Computing KI-Chips nutzen bereits Licht, um bestimmte Berechnungen schnell und effizient durchzuführen.

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Allerdings müssen diese Systeme, wenn sie nichtlineare Aktivierungsschritte, einschließlich operationsentscheidender Vorgänge, durchführen, optische Signale häufig wieder in elektrische umwandeln. Diese wiederholten Umwandlungen verringern die Geschwindigkeit und erhöhen den Energieverbrauch, wodurch die Vorteile photonischer Rechenverfahren begrenzt werden.

Mit Exzitonen-Polaritonen hat das Team der Universität Pennsylvania einen rein optischen Schalter demonstriert, der nur etwa 4 Quadrillionstel Joule Energie verbraucht. Dies ist eine außerordentlich geringe Energiemenge, weit weniger als diejenige, die erforderlich ist, um eine kleine LED-Leuchte kurzzeitig zu betreiben.

Zukünftige KI-Chips könnten mit Licht betrieben werden. Falls die Technologie erfolgreich skaliert werden kann, könnten zukünftige photonische Chips Licht direkt, ohne Signale ständig zwischen Licht und Elektrizität hin und her umzuwandeln.

Technik und Auswirkungen

Die Forscher zufolge könnte dieser Ansatz den Energiebedarf großer KI-Systeme erheblich senken und möglicherweise zukünftig grundlegende Funktionen des Quantencomputings auf Chips unterstützen. „Stark nichtlineare Nanokavitäts-Exzitonenpolaritonen in gatesteuersfähigen Monolagenschicht-Halbleitern", Bumho Kim, Bo Zhen und Li He, 8.

April 2026, Physical Review Letters. DOI: 10.1103/gc15-qsvf. Bo Zhen ist Jin K. Lee Presidential Associate Professor am Department of Physics and Astronomy der School of Arts & Sciences der University of Pennsylvania. Li He war Postdoktorand im Zhen Lab an der Penn Arts & Sciences; er ist derzeit Assistant Professor an der Montana State University.

Weitere Autoren der Studie sind Zhi Wang und Bumho Kim aus der School of Arts & Sciences der University of Pennsylvania. Die Forschung wurde vom US Office of Naval Research (N00014-20-1-2325 und N00014-21-1-2703) sowie ützt.