Physiker der TU Kaiserslautern erhält millionenschwere EU-Förderung zum Bau eines künstlichen Gehirns

Das Gehirn mit seinen rund 100 Milliarden Nervenzellen verarbeitet Sinneseindrücke in Sekundenbruchteilen. Dabei sind die Zellen engmaschig durch Synapsen vernetzt. Das Hirn zum Vorbild nimmt sich die Forschung bei neuromorphen Rechnern. Den dafür nötigen komplexen Verbindungen sind aber mit gängiger Hardware Grenzen gesetzt. Dies zu ändern, ist Ziel eines neuen Projekts: Informationen sollen mit Hilfe von Magnonen, den Quantenteilchen der Spinwellen, übertragen werden. Juniorprofessor Dr. Philipp Pirro von der Technischen Universität Kaiserslautern wird dazu vom Europäischen Forschungsrat (ERC) für fünf Jahre mit einem 1,5 Millionen Euro dotierten ERC Starting Grant ausgezeichnet.

Das menschliche Gehirn ist äußerst komplex: Informationen werden über Synapsen zwischen den Nervenzellen übertragen. In der Forschung hat man sich das Gehirn zum Vorbild genommen, 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 bei einem Elektron oder Proton. Er legt damit die Grundlage für magnetische 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.

Fragen beantwortet:
Juniorprofessor Dr. Philipp Pirro
Lehrgebiet Magnetismus / TU Kaiserslautern
Tel.: 0631 205 4092
E-Mail: ppirro(at)rhrk.uni-kl.de