Physiker an der Stanford University haben ein quantenoptisches Spin-Glas aus extrem kalten Atomen und Lichtteilchen entwickelt. Das experimentelle System speichert bis zu siebenmal mehr Informationsmuster als ein klassisches Hopfield-Netzwerk gleicher Größe und verarbeitet unvollständige Daten dynamisch ähnlich wie biologische Synapsen.
Ein physikalisches Netzwerk aus Atomen und Licht
Im Herzen des Experiments halten zwei gekrümmte Spiegel Photonen in einer optischen Kammer fest. Zwischen diesen Spiegeln erzeugen Laser extrem kalte Quantengase, die als quantenoptisches Spin-Glas fungieren. Ein Team um den Physiker Benjamin Lev hat diese Technologie entworfen, deren Ergebnisse im Fachjournal Science veröffentlicht wurden.
Das Netzwerk speichert keine menschlichen Erinnerungen im biologischen Sinn, sondern digitale Informationsmuster. Es ist in der Lage, unvollständige Eingaben einem gespeicherten Muster zuzuordnen und die ursprünglichen Daten zu rekonstruieren. In einem kleinen experimentellen Versuchsaufbau mit 16 Spins bewältigte das System bis zu siebenmal mehr Muster als ein klassisches Vergleichsmodell derselben Größe.
Die Grenzen des klassischen Hopfield-Prinzips
Die theoretischen Grundlagen dieses künstlichen Gedächtnisses reichen mehr als vier Jahrzehnte zurück. Im Jahr 1982 beschrieb der Physiker John Hopfield ein neuronales Netzwerk, das Informationen in bestimmten Zuständen miteinander gekoppelter Spins ablegt. Erhält ein solches Netzwerk nur einen Teil eines bekannten Musters, sucht es nach dem ähnlichsten Zustand, um das Ganze wiederherzustellen. Für diese wegweisenden Arbeiten zu neuronalen Netzen wurde Hopfield im Jahr 2024 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.
Dennoch stößt dieses klassische Prinzip bei steigender Speichermenge an physikalische Grenzen. Zu viele Erinnerungsmuster erzeugen zahlreiche Zustände, in denen das Netzwerk stecken bleiben kann, sodass sich die Spins nicht mehr sauber ausrichten. Physiker bezeichnen dieses Phänomen als Frustration. Während diese Frustration bei herkömmlichen Hopfield-Netzwerken zum Problem wird, nutzt das neue quantenoptische System diesen Effekt auf unkonventionelle Weise.
Wie das Spin-Glas Fehlmuster in Erinnerungen verwandelt
In dem neuen quantenoptischen Spin-Glas dienen Zustände, die in klassischen Netzwerken als störende Fehlmuster auftreten würden, als verlässliche Erinnerungen. Ermöglicht wird dies durch die ständige Wechselwirkung zwischen Atomen und Photonen. Das System befindet sich fernab eines einfachen Gleichgewichts; es wird kontinuierlich von Laserlicht angetrieben und gibt gleichzeitig Energie an seine Umgebung ab.
- Laser fixieren extrem kalte Atomwolken an definierten Positionen.
- Jede Atomwolke besteht aus mindestens rund 10.000 Atomen und agiert als ein einzelnes Superatom.
- Ein Resonator aus zwei gekrümmten Spiegeln lässt Photonen tausendfach hin und her wandern.
- Das Licht koppelt die verschiedenen Atomgruppen und beeinflusst deren Spins.
- Das Netzwerk stabilisiert sich in einem Zustand, der einem gespeicherten Muster entspricht.
Photonen als Synapsen und die Dynamik des Netzwerks
Die Photonen übernehmen in diesem physikalischen Aufbau eine Aufgabe, die sich mit den Verbindungen zwischen Nervenzellen im Gehirn vergleichen lässt. Sie erzeugen zahlreiche Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Atomgruppen. Im Gegensatz zu fest verdrahteten klassischen Netzwerken bleiben diese Verbindungen jedoch nicht starr. Die Atome bewegen sich in ihren Fallen, wodurch sich ihre Wechselwirkung mit dem Licht und der Kopplungsgrad ständig verändern.
Diese inhärente Dynamik steigerte die Speicherkapazität im Experiment zusätzlich. Die Forschenden vergleichen diesen Effekt mit der kurzfristigen synaptischen Plastizität im biologischen Gehirn, bei der sich neuronale Verbindungen je nach Aktivität vorübergehend verstärken oder abschwächen.
