Neue Hybridpartikel ermöglichen Lichtrechnen – eine Funktion, die bisher nur Elektronen vorbehalten war.

Was die Studie zeigt

Die Forscher erreichten dies mittels einer atomar dünnen Halbleiter-Monolage, die in eine nanoskopische optische Resonanzstruktur eingebettet ist, die dazu dient, Licht einzufangen und zu steuern.

Innerhalb des Geräts wechselwirken Photonen intensiv mit Exzitonen, die gebundene Elektron-Loch-Paare sind, die entstehen, wenn Elektronen positiv geladene Löcher im Halbleiter zurücklassen.

Unter geeigneten Bedingungen wurde diese Wechselwirkung extrem stark und erzeugte Exziton-Polaritonen, die Eigenschaften aus beiden Bereichen übernahmen: enorme Geschwindigkeit und Bewegung bei niedriger Energie, Fähigkeit, stark mit anderen Signalen zu wechselwirken. „Diese nichtlineare Antwort übertrifft die konventioneller nichtlinearer optischer Materialien bei weitem und bietet einen vielversprechenden Weg hin zu rein optischer Rechenverarbeitung und photonischer Quanteninformationsverarbeitung", so die Autoren der Studie.

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Das zweite Merkmal war der eigentliche Durchbruch: Exziton-Polaritonen selbst sind keine Neuheit und werden seit Jahren erforscht. Die Realisierung eines starken nichtlinearen optischen Schaltens bei extrem niedrigen Energien in kompakten Nanokavitätsplattformen bleibt jedoch eine große Herausforderung.

Herkömmliche photonische Systeme stoßen hier an ihre Grenzen, da Photonen sich unter normalen Bedingungen gegenseitig durchdringen, ohne zu interagieren. Während dies für die Kommunikation ideal ist, stellt es für die Rechenleistung, insbesondere für KI-Systeme, die nichtlineare Operationen und Entscheidungsprozesse erfordern, ein erhebliches Hindernis dar.

Viele experimentelle photonische KI-Chips müssen heute noch optische Signale in elektrische umwandeln, um diese Aufgaben auszuführen. Jede solche Umwandlung verlangsamt das System und führt zu Energieverlusten.

Was die Studie zeigt

Vorherige Studien zur photonischen Rechenarchitektur haben sich mit Silizium-Photonik und optischer Hardware für neuronale Netze beschäftigt; doch die meisten Systeme sind nach wie vor stark auf Elektronik für das Schalten und die Steuerung angewiesen.

Die neue Exziton-Polariton-Plattform umgeht einen Teil dieses Problems, indem sie ein vollständig optisches Schalten ermöglicht: Ein Lichtsignal steuert direkt ein anderes, ohne dass dabei elektrische Signale erzeugt werden müssen.

Die Forscher demonstrierten ein Umschalten bei einer Energieskala, einer außerordentlich geringen Energiemenge, die weit unter dem liegt, was nötig ist, um selbst eine kleine LED-Leuchte kurzzeitig zu betreiben. „Außerordentlich ist, dass wir ein vollständig optisches Umschalten des Resonatorspektrums mit Anregungsenergien 4 fJ (10−15 Joule) erreichen und damit einen neuen Referenzwert für die Umschaltenergie in 2D-Exziton-Polariton-Systemen setzen", sagten die Autoren der Studie.

Technik und Auswirkungen

Die Arbeit deutet darauf hin, dass die Plattform einen der wichtigsten fehlenden Bausteine für zukünftige vollständig optische Rechner adressiert. Eine Möglichkeit, KI-Rechenzentren nachhaltig zu machen: Falls die Technologie erfolgreich skaliert werden kann, könnte sie die Energieanforderungen von Künstlicher-Intelligenz-Systemen drastisch senken.

Moderne KI-Infrastrukturen verbrauchen enorme Mengen an elektrischer Energie nicht nur für die Verarbeitung, sondern auch zur Kühlung überhitzter elektronischer Chips.

Beispielsweise errichten Unternehmen wie Microsoft derzeit KI-fokussierte Rechenzentren mit fortschrittlichen Flüssigkühlsystemen, da dichte Cluster aus KI-Prozessoren so viel Wärme erzeugen, dass herkömmliche Luftkühlung nicht mehr ausreicht.

Technik und Auswirkungen

Tatsächlich können in einigen Einrichtungen Regale, die mit KI-Chips bestückt sind, eine Wärmemenge erzeugen, die derjenigen örper entspricht.

Photonische Systeme auf Basis könnten einen Großteil dieser Verluste vermeiden, da Licht im Vergleich zur Bewegung elektrischer Ladungen deutlich weniger Wärme erzeugt. „Dieses System könnte die Entwicklung ganz optischer neuronaler Netze für die künstliche Intelligenz beschleunigen, bei denen die Berechnung vollständig im optischen Bereich stattfindet – und damit eine Geschwindigkeit und Energieeffizienz bietet, die elektronische Architekturen nicht erreichen können", so die Autoren der Studie.

Die Forscher glauben zudem, dass die Plattform zukünftige photonische Chips ermöglichen könnte, visuelle Informationen direkt dabei wiederholte Signalumwandlungen zu vermeiden, die derzeit die Hardware der künstlichen Intelligenz verlangsamen. Derzeit demonstriert die Studie jedoch lediglich ein Proof-of-Concept-Gerät und keinen praxistauglichen Computer.

Was die Studie zeigt

Der Aufbau großskaliger photonischer Rechensysteme wird das Lösen komplexer ingenieurtechnischer Herausforderungen erfordern. Zudem müssen die Forscher nachweisen, dass die Technologie zuverlässig komplexe Berechnungen unter realen Bedingungen außerhalb kontrollierter Laborumgebungen durchführen kann.

Daher sind weitere Forschung und Experimente erforderlich, um die Zuverlässigkeit der Plattform für den Einsatz in der realen Welt zu beweisen. Die Studie wurde im Journal Physical Review Letters veröffentlicht.