In einer bahnbrechenden Entwicklung, die die Zukunft der künstlichen Intelligenz grundlegend verändern könnte, ist es zwei europäischen Forschungsteams gelungen, die Kraft des Lichts zu nutzen, um ultraschnelle KI-Rechensysteme mit gewöhnlichen Glasfasern zu schaffen.
Die gemeinsame Forschung, geleitet von den Postdoktoranden Dr. Mathilde Hary von der Universität Tampere in Finnland und Dr. Andrei Ermolaev von der Université Marie et Louis Pasteur in Frankreich, zeigt, wie intensive Laserpulse, die durch dünne Glasfasern geleitet werden, neuronale Netzwerkoperationen in bisher unerreichter Geschwindigkeit nachbilden können.
"Anstatt herkömmliche Elektronik und Algorithmen zu verwenden, erfolgt die Berechnung durch die Nutzung der nichtlinearen Wechselwirkung zwischen intensiven Lichtpulsen und dem Glas", erläutern Hary und Ermolaev. Ihr System setzt eine spezielle Klasse von Computerarchitekturen um, die als Extreme Learning Machine bekannt ist und von neuronalen Netzwerken inspiriert wurde.
Die Forschenden erzielten bemerkenswerte Ergebnisse: Bei Bilderkennungsaufgaben wurden Testgenauigkeiten von über 91 % erreicht – und das bei Verarbeitungsgeschwindigkeiten im Bereich von Femtosekunden, also Millionstel einer Milliardstel Sekunde. Das entspricht einer tausendfach höheren Geschwindigkeit als bei heutigen elektronischen Systemen.
Dieser Durchbruch kommt zu einem entscheidenden Zeitpunkt, da herkömmliche Elektronik an ihre Grenzen hinsichtlich Bandbreite, Datendurchsatz und Energieverbrauch stößt. Mit immer komplexeren und energiehungrigeren KI-Modellen steht die Branche vor erheblichen Herausforderungen bei der Skalierung aktueller Technologien.
"Unsere Modelle zeigen, wie Dispersion, Nichtlinearität und sogar Quantengeräusche die Leistung beeinflussen und liefern entscheidendes Wissen für das Design der nächsten Generation hybrider optisch-elektronischer KI-Systeme", betont Ermolaev. Das Forschungsteam plant, künftig optische Systeme auf Chips zu entwickeln, die außerhalb des Labors in Echtzeit arbeiten können.
Die Auswirkungen reichen weit über die akademische Forschung hinaus. Potenzielle Anwendungen umfassen die Echtzeit-Signalverarbeitung, Umweltüberwachung und KI-Inferenz mit hoher Geschwindigkeit. Da Rechenzentren mit dem enormen Energiebedarf moderner KI-Systeme kämpfen, bietet photonisches Computing einen vielversprechenden Weg zu nachhaltigerer und deutlich schnellerer künstlicher Intelligenz.
Das Projekt, gefördert vom Forschungsrat Finnlands, der französischen Nationalen Forschungsagentur und dem Europäischen Forschungsrat, stellt einen bedeutenden Schritt in Richtung praktischer optischer Computertechnik dar – ein Bereich, in den in den letzten fünf Jahren fast 3,6 Milliarden US-Dollar investiert wurden, während Unternehmen nach Alternativen zu herkömmlichen, siliziumbasierten Systemen suchen.