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Ein Schritt hin zum Rechnen mit dem Zufall

Screenshot einer Computersimulation der diffusiven Bewegung eines Skyrmions in einem dünnen, magnetischen Film. © AG Prof. Dr. Ulrich Nowak, Universität Konstanz

Arbeitsgruppe des Konstanzer Physikers Prof. Dr. Ulrich Nowak demonstriert in Kooperation mit einem Mainzer Team aus Physikern, wie Skyrmionen für Rechnerkonzepte der Zukunft verwendet werden können.

Beim Rechnen mit dem Ziel, ein exaktes Ergebnis zu erhalten, ist der Computer dem Menschen hoffnungslos überlegen. In anderen Dingen ist der Mensch dem Computer nach wie vor um Längen voraus: Dazu gehört die Signalverarbeitung, die beim autonomen Fahren eine entscheidende Rolle spielt. Bei dem Bemühen um neue Rechnerkonzepte, die näher am Gehirn des Menschen sind, setzt die Forschung auch auf wahrscheinlichkeitsbasiertes Rechnen. Der Konstanzer Physiker Prof. Dr. Ulrich Nowak untersucht mit seinem Team, wie diese Computer der Zukunft mit sogenannten Skyrmionen, magnetischen Wirbelstrukturen, als Bit-Einheiten ermöglicht werden können. In einer Kooperation mit PhysikerInnen der Universität Mainz konnte nun sowohl theoretisch als auch experimentell gezeigt werden, wie magnetische Wirbel für neue Methoden des Rechnens verwenden werden können. Nachzulesen sind die Ergebnisse in der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins Nature Nanotechnology.

Menschen nehmen in wachem Zustand ununterbrochen wahr. Aus dieser Wahrnehmung entstehen Datenströme, die permanent im Gehirn analysiert werden. Wird zum Beispiel ein Ton immer lauter, wird er ab einer gewissen Schwelle möglicherweise als die Gefahr identifiziert, dass ein Gegenstand auf einen zufliegt. Ein Gehirn reagiert nicht auf bestimmte Zahlenwerte, sondern auf Signale, die mit bestimmten Wahrscheinlichkeiten auftreten. Wie beim Quantencomputer verspricht man sich von der zukünftigen Computergeneration, die die Datenströme per Skyrmionen speichert, deutlich höhere Speicherkapazität, Schnelligkeit oder Energieeffizienz. Tatsächlich haben die magnetischen, stabilen Skyrmionen aber auch den Vorteil, dass sie das Rechnen mit zufallsbasierten Signalen denkbar machen.

Der Mainzer Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Mathias Kläui ist es gelungen, ein Material zu entwickeln, in dem sich Skyrmionen bilden. Darüber hinaus entwickelten die WissenschaftlerInnen eine Methode, die Skyrmionen in einem sogenannten Reshuffler, einem für die Wahrscheinlichkeitsberechnung nötigen Bauteil, thermisch diffundieren zu lassen. Das Team von Ulrich Nowak konnte indes in einer Simulation zeigen, dass sich die beobachteten Skyrmionen tatsächlich wie Teilchen verhalten und sich in der Ebene nach dem Zufallsprinzip bewegen, ähnlich den Atomen, die sich in Gas oder Flüssigkeit bei endlicher Temperatur beliebig verteilen.

Diese Eigenschaft wird für den Reshuffler genutzt. „Wir haben gezeigt, nach welchen Gesetzen die Diffusion abläuft, wie groß sie ist und dass man sie messen kann“, fasst Ulrich Nowak den Konstanzer Anteil an der Kooperation zusammen. Bisher gab es dazu keine quantitativen Vorhersagen. Erst die Kombination der Messungen der Mainzer FachkollegInnen mit den Simulationen aus Konstanz hat die Relevanz der Diffusion der Skyrmionen gezeigt. Da sich Skyrmionen mit elektrischen Strömen erzeugen und verschieben lassen sind sie geeignete Kandidaten für einen Reshuffler.

Unter einem Reshuffler wird ein Bauelement des wahrscheinlichkeitsbasierten Rechnens verstanden, das wie eine Art Mixer automatisch die Eingangsdaten durcheinandermischt. Am Ende des Reshufflers kommt eine Sequenz mit der gleichen Anzahl von Speichereinheiten, aber mit anderer Reihenfolge heraus. Ihre Wahrscheinlichkeit ist damit gleichgeblieben.