Mit Spintronik und Magnetwellen zu energieeffizienten Computern
Neue Ising-Maschine nutzt Magnetwellen für energieeffiziente Berechnungen bei Raumtemperatur. Alternative zu Quantencomputern mit vielfältigen Anwendungen.
Prinzip zweier Oszillatoren, die phasengleiche und Die Zeichnung veranschaulicht das Prinzip zweier Oszillatoren, die phasengleiche und phasenungleiche Schwingungsmoden erzeugen.
Foto: Victor H. González
Ein neuartiger Computertyp, basierend auf Spintronik und Magnetwellen, könnte als kostengünstige Alternative zu Quantencomputern dienen. Forschende der Universität Göteborg haben eine Technologie entwickelt, die kombinatorische Optimierungsprobleme energieeffizient und bei Raumtemperatur lösen kann. Netzwerke aus nanoskaligen Oszillatoren bilden das Herzstück dieser Innovation, die in künftigen KI- und Finanzanwendungen eine Rolle spielen könnte.
Inhaltsverzeichnis
Spintronik: Ein Blick auf magnetische Wellen
Die Spintronik beschäftigt sich mit magnetischen Phänomenen in nanometerdünnen Materialien. Diese können durch Magnetfelder, elektrische Ströme oder Spannungen beeinflusst werden. Dabei entstehen sogenannte Spinwellen – wellenförmige Magnetisierungsänderungen, die sich ähnlich wie Schallwellen ausbreiten. Forschende haben nun gezeigt, dass sich diese Spinwellen gezielt steuern und für Rechenprozesse nutzen lassen.
Durch geschickte Steuerung der Spinwellenphase konnten Forschende der Universität Göteborg zwei sogenannte Spin-Hall-Nanoschwinger synchronisieren. Diese Oszillatoren interagieren miteinander, wodurch binäre Zustände erzeugt werden. Entscheidend ist, dass sich die Phasen dieser Wellen gezielt in Gleich- oder Gegenphase bringen lassen. Dies wird durch Veränderung des Magnetfelds, der Stromstärke oder der Spannung erreicht.
Alternative zur Quantencomputing-Technologie
Die entwickelte Technologie könnte eine energieeffiziente Alternative zu Quantencomputern darstellen. Während Quantenrechner extrem niedrige Temperaturen benötigen und hohe Energiekosten verursachen, arbeiten die neuen Ising-Maschinen bei Raumtemperatur. Sie eignen sich besonders zur Lösung kombinatorischer Optimierungsprobleme – etwa in der künstlichen Intelligenz oder der Finanzanalyse.
Anders als klassische Computer, die schrittweise rechnen, arbeiten Ising-Maschinen mit vielen parallelen Rechenoperationen. Die Interaktion der Oszillatoren ermöglicht es, die beste Lösung für eine Aufgabe zu finden, statt eine exakte Berechnung durchzuführen. Dies macht die Technologie besonders für Anwendungen interessant, die schnelle und näherungsweise Lösungen erfordern.
Netzwerke von Oszillatoren
Akash Kumar, Hauptautor der Studie, betont: „Mit Hilfe von Spinwellen sind wir der Entwicklung hocheffizienter, stromsparender Computersysteme, die reale Probleme lösen können, näher gekommen.“ Das Forschungsteam plant, Netzwerke mit Tausenden von Oszillatoren aufzubauen, um die Rechenleistung weiter zu steigern. Da die Oszillatoren nur wenige Nanometer groß sind, lassen sich die Systeme sowohl in große Rechenzentren als auch in kompakte Endgeräte integrieren.
Diese neue Technologie könnte zahlreiche Branchen beeinflussen: von künstlicher Intelligenz und maschinellem Lernen bis hin zur Telekommunikation und Finanzbranche. Laut Kumar könnte die Fähigkeit, Spinwellen auf Nanoebene zu manipulieren, auch leistungsfähigere Sensoren und Handelsalgorithmen ermöglichen.
Was ist eine Ising-Maschine?
Eine Ising-Maschine basiert auf einem physikalischen Modell, das die Wechselwirkungen zwischen magnetischen Spins beschreibt. Spins können dabei zwei Zustände annehmen („oben“ oder „unten“), wobei sie sich gegenseitig beeinflussen. In einer Ising-Maschine werden diese Wechselwirkungen genutzt, um optimale Lösungen für komplexe Probleme zu finden.
Statt einer schrittweisen Berechnung, wie bei klassischen Computern, organisieren sich die Spins so, dass sie eine energetisch günstige Konfiguration erreichen. Besonders kombinatorische Probleme, wie Routenplanung oder Netzwerkoptimierung, profitieren von dieser Methode. Die Kopplungsstärken zwischen den Spins werden so eingestellt, dass die optimale Lösung dem stabilsten Zustand entspricht.
Ising-Modell bereits 1924 entwickelt
Das Ising-Modell wurde bereits 1924 von Ernst Ising entwickelt, um das Verhalten magnetischer Systeme zu beschreiben. Heute zeigt sich, dass diese Theorie eine unerwartete Anwendung in der Informatik findet. Während klassische Ising-Computer oft supraleitende Bauteile nutzten, arbeiten die neuen Maschinen mit Spinwellen und lassen sich so einfacher skalieren.
Die bisherigen Versuche, Ising-Maschinen zu realisieren, hatten oft mit Einschränkungen zu kämpfen. So konnten frühere Konzepte nur direkte Nachbarn koppeln, was die Skalierbarkeit begrenzte. Die neue Methode der Universität Göteborg nutzt jedoch Magnetwellen, um Informationen über längere Distanzen effizient zu übertragen.
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