Neuromorphic Quantum Computers – Ghost in the machine

In früheren Artikeln habe ich Überlegungen zum Zusammenhang zwischen Sprachbewusstsein und künstlicher Intelligenz angestellt. In anderen Beiträgen ging es um Quantencomputer und das grundlegende physikalische Prinzip der Quantenverschränkung. Jetzt ist an der Zeit diese beiden hochaktuellen Forschungsgebiete zu verbinden und sozusagen zum Grande Finale zu führen. Dazu muss ich mich allerdings ein wenig auf das Gebiet der Spekulation begeben – denn so weit ist die aktuelle Forschung leider noch nicht – auch wenn sich diese Entwicklung gerade am Horizont der Möglichkeiten abzuzeichnen scheint.
Bevor ich allerdings zu meiner Hypothese bzgl. zukünftiger Computerarchitekturen für künstliche Intelligenz komme, müssen wir uns erst mal anschauen, wo wir aktuell in der Forschung stehen.

Neuromorphe Systeme – aktuelle Forschung

Das Gehirn einer Ratte besteht ungefähr aus 100.000 Nervenzellen. Mit den größten Parallelcomputern unserer Zeit ist es möglich, ein solches Gehirn vollständig realistisch, wenn auch nicht in Echtzeit, in einer Simulation nachzubilden. Das Ziel dieses Projekts ist noch nicht ganz erreicht, aber erste wichtige Teilbereiche eines Rattengehirns konnten schon erfolgreich abgebildet werden.
Ein Katzengehirn hingegen ist schon deutlich komplexer (bis zu 109 Neuronen) und kann mit heutigen Mitteln nur noch näherungsweise simuliert werden. Ein entsprechendes Projekt wird derzeit von IBM Cognitive Computing betrieben.
Das menschliche Gehirn ist noch mal um eine Größenordnung komplexer und besteht aus ca. 80 Milliarden Nervenzellen. Das Verständnis der Prozesse im menschlichen Gehirn und zumindest die teilweise Simulation der neuronalen Prozesse ist das Ziel des mit riesigen EU Mitteln ausgestatteten Human Brain Projects.
Willkommen in einer der spannendsten interdisziplinären Forschungsgebiete unserer Zeit, der Neuroinformatik. Neurobiologie, Informatik, Psychologie und viele andere Disziplinen arbeiten hier Hand in Hand. Das Ziel dieser übergreifenden Forschungsinitiative ist das vollständige Verständnis der biochemischen Prozesse in einem Gehirn und deren Nachbildung in einem Computer. Im Rahmen der unzähligen Forschungsprojekte werden die neuronalen Netzstrukturen i.d.R. auf traditionellen Computerarchitekturen simuliert. Bei komplexeren Gehirnstrukturen gelingt dies selbst mit den schnellsten Computern nicht mehr in Echtzeit. Daher wird neben der Software auch an der Hardware gearbeitet.
Schon in den 80er Jahren wurde von Carver Mead der Begriff „neuromorph“ für Schaltkreise, die analog biologischer Strukturen aufgebaut sind, geprägt. Aber erst heute tauchen die ersten Prototypen für echte neuromorphe Prozessoren auf. Die ersten Ergebnisse sind vielversprechend und in speziellen Anwendungsgebieten, z.B. der Bilderkennung, leisten diese Chips Erstaunliches und das bei vergleichsweise extrem niedrigem Stromverbrauch. Das ist nicht weiter verwunderlich, denn auch das menschliche Gehirn zeichnet sich ja durch eine hohe Energieeffizienz aus. Dieser positive Aspekt ist also sozusagen systemimmanent.

Kommen wir also zum Grande Finale

…denn wir sind vom erklärten Ziel, ein komplexes Gehirn in einem Chip abbilden zu können, immer noch meilenweit entfernt. Selbst das vergleichsweise kleine Gehirn einer Katze würde unzählige der oben erwähnten Chips in einem komplexen Verbund benötigen. Und damit kommt wieder die Übertragungsgeschwindigkeit des Stroms als limitierender Faktor ins Spiel. Und natürlich steht die schiere Größe und der gigantische Stromverbrauch dieser schrankgroßen neuronalen Supercomputer einer praktischen Anwendung im Weg. Es mehren sich aber die Anzeichen, dass diese Herausforderung ein anderer Zweig der aktuellen Computerforschung lösen könnte.

Quantenverschränkte Elektronen erlauben eine Informationsübertragung in Echtzeit und das auf kleinstem Raum. Wenn wir es also schaffen, die synaptischen Informationsleitung durch verschränkte Teilchen zu ersetzen, sind Prozessoren mit Milliarden synthetischen Nervenzellen plötzlich in greifbarer Reichweite.

Ein Teil der aktuellen Forschung im Bereich der Quantencomputer deutet in die Richtung, dass die neuromorphen Prozessoren der Zukunft in Form einfacher Kristalle daher kommen könnten. Die Konfiguration der Schaltkreise in einem solchen kristallinen Computer würde sich durch die Struktur der Fehlstellen bzw. Verunreinigungen im Kristall ergeben und die Interaktion mit einem solchen Prozessor würde mit Laserlicht erfolgen. Aber das ist natürlich alles noch mehr Fiktion als Science. Oder doch nicht?


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