Nr. 237 / 2011

17. June 2011 : Informationen gedankenschnell verarbeiten - Uni Osnabrück beteiligt sich an EU-Projekt PHOCUS

Ist es möglich, mit Licht, also photonisch, Informationen gedankenschnell zu verarbeiten? Das Projekt PHOCUS (Towards a photonic liquid state machine based on delay-coupled systems) geht dieser Frage nach und entwickelt dafür eine vollkommen neue Generation von Computern. Geplant werden photonische Systeme, die mithilfe von Licht kommunizieren und so für eine unfassbar schnelle Signalverarbeitung und flexible Abwicklung sorgen. Das Projekt wird innerhalb des Themenbereichs »Informations- und Kommunikationstechnologien« (IKT) des Siebten EU-Rahmenprogramms (RP7) mit Mitteln in Höhe von 1,81 Millionen Euro gefördert. Federführend mit dabei sind Kognitionswissenschaftler der Universität Osnabrück.

Ist es möglich, mit Licht, also photonisch, Informationen gedankenschnell zu verarbeiten? Das Projekt PHOCUS (Towards a photonic liquid state machine based on delay-coupled systems) geht dieser Frage nach und entwickelt dafür eine vollkommen neue Generation von Computern. Geplant werden photonische Systeme, die mithilfe von Licht kommunizieren und so für eine unfassbar schnelle Signalverarbeitung und flexible Abwicklung sorgen. Das Projekt wird innerhalb des Themenbereichs »Informations- und Kommunikationstechnologien« (IKT) des Siebten EU-Rahmenprogramms (RP7) mit Mitteln in Höhe von 1,81 Millionen Euro gefördert. Federführend mit dabei sind Kognitionswissenschaftler der Universität Osnabrück.

PHOCUS startete im Januar 2010 und soll bis Ende 2012 laufen. Dabei kommen die beteiligten Wissenschaftler aus Deutschland, Frankreich, Spanien und Belgien. Die von der Universitat de les Illes Balears (UIB) in Spanien koordinierten Projektpartner sehen in ihren innovativen Systemen die Fähigkeit zur Durchführung komplexer Berechnungen sowie einer schnellen und effizienten Verarbeitung großer Datenmengen.

Die Forscher vergleichen diese neuartige Rechentechnologie mit der gedankenschnellen Informationsverarbeitung im menschlichen Gehirn. »Im Grund geht es uns darum zu verstehen, wie es das Gehirn schafft, sich stets so anzupassen, dass es möglichst gut seine Aufgaben erfüllen kann«, so Prof. Dr. Gordon Pipa vom Institut für Kognitionswissenschaft der Universität Osnabrück. Im Gehirn gelingt diese Anpassung durch die Veränderung einzelner Nervenzellen im Netzwerk mit dem Ziel, jede der Zellen bei der Informationsverarbeitung möglichst nützlich zu machen. Mit seinem Team untersucht Prof. Pipa deshalb nun, wie dieser bekannte biologische Mechanismus genutzt werden kann, um sich selbst anpassende neuartige photonische Computer zu bauen.

Auf welche Weise die elektrischen Signale der Milliarden Nervenzellen des Gehirns organisiert werden, so dass das Organ derart schnell richtige Antworten liefern kann, ist eine der offenen Fragen der Hirnforschung. In den vergangenen Jahren ist in den Neurowissenschaften jedoch ein Paradigma entwickelt worden, das zu einer Antwort führen könnte. So vergleichen Neurowissenschaftler die Reaktionen des menschlichen Gehirns auf äußere Reize mit der Reaktion einer Flüssigkeit auf Störungen von außen. Wie man bei einem ins Wasser geworfen Kieselstein anhand der Wellen, die beim Aufprall auf dem Wasser ausgelöst werden, feststellen kann, wann und wo der Stein die Oberfläche getroffen hat, könnte es nach Ansicht der Forscher möglich sein, anhand der Reaktion neuronaler Netzwerke Informationen über die auslösenden äußeren Reize zu erschließen. Diesen Netzwerken werden Reize oder Daten zugeführt, die als »Reservoirs« bezeichnet werden.

Mit dem Konzept der sogenannten Reservoir-Rechnung wird das Reservoir nicht berührt und so muss nur der Auslesemechanismus für berechnete Daten eingestellt werden. Experimente verweisen darauf, dass das Auslesen der Daten deutlich einfacher zu trainieren ist als die Reservoirs selbst. Lässt man Reservoirs unbehelligt, so können äußere Reize oder Inputs für eine gewisse Zeit in ihnen nachgewiesen werden. Bei Reservoir-Berechnungen wandeln diese Form der Speicherung und die einsetzende Reaktion des Reservoirs den Input in eine große Zahl dynamischer Zustände des Reservoirs um. Endergebnis ist ein hochdimensionaler Raum der Zustände. Die Reaktion des Reservoirs sei im hochdimensionalen Raum der Zustände leichter zu erkennen, meinen die Wissenschaftler. Diese Identifizierung könne zur Klassifizierung verschiedener Inputs genutzt werden.

Photonische Systeme dienen auch als Beispiel für die Nutzbarkeit komplexen Verhaltens. Der Austausch zwischen Wissenschaftlern führte zu der Idee, dass photonische Systeme genutzt werden könnten, um Hirnfunktionen besser zu verstehen und eventuell nachbilden zu können. Die mit Licht kommunizierenden Systeme sind mit modernen Telekommunikationstechnologien kompatibel - das Einbinden großer photonischer Systeme wäre jedoch kostenaufwändig und kompliziert. Für die Wissenschaftler der Universität Osnabrück ist die Beteiligung an dem Projekt eine willkommene Gelegenheit, die eigenen Kompetenzen im Bereich der Neuroinformatik und den Kognitionswissenschaften einzubringen. »Wir haben hier große Kenntnisse in bezug auf der selbst lernenden Informationsverarbeitung. Das ist für unsere Projektpartner von großem Vorteil«, erklärt Pipa.

Pipa, geboren 1974, studierte von 1995 bis 2001 Physik in Aachen und Frankfurt am Main. In Frankfurt war er mehrere Jahre Arbeitgruppenleiter in dem Institut für Hirnforschung des weltbekannten Max-Planck-Direktors Prof. Dr. Wolf Singer. Nach seiner Promotion 2006 an der TU Berlin, war er unter anderem als Wissenschaftlicher Mitarbeiter in den USA an den Elite Universitäten Harvard und MIT tätig. Seit 2009 lehrt und forscht Pipa an der Universität Osnabrück. Zu seinen Forschungsschwerpunkten zählen unter anderem die Selbstorganisation neuronaler Prozesse zur Optimierung der Informationsverarbeitung im Gehirn, sowie die Untersuchung elektrischer neuronaler Signale, um grundlegende Funktionen des Gehirns zu verstehen.