Renommierte Förderung für photonische Netzwerke

Die PSI-Forscherin Kirsten Moselund erhält für Ihr Forschungsvorhaben NEON eine prestigeträchtige Förderung in Höhe von rund 3,3 Millionen Schweizer Franken, verteilt auf die kommenden 5 Jahre. Im Rahmen des Projekts wird ihr Forschungsteam neuartige optische Netzwerke entwickeln, die Aufgaben des maschinellen Lernens besonders schnell und energiesparend ausführen können.

Kirsten Moselund ist Leiterin des Labors für Nano- und Quanten-Technologien am Zentrum für Photonenforschung des PSI. Zugleich ist sie ordentliche Professorin für Elektro- und Mikrotechnik an der EPFL. Der Europäische Forschungsrat ERC hat ihr Forschungsvorhaben NEON positiv evaluiert und die Förderung zugesprochen. Ausgezahlt wird die Fördersumme vom Schweizerischen Staatssekretariat für Bildung, Forschung und Innovation SBFI.

NEON befasst sich mit sogenannten neuromorphen photonischen Netzwerken. Diese Systeme ahmen die Funktionsweise biologischer Nervenverbindungen nach – wobei die Signalübertragung nicht wie bei klassischen Computern elektrisch erfolgt, sondern mittels Laserlicht. Licht bietet nämlich eine nahezu unbegrenzte Bandbreite und eine hohe Übertragungsgeschwindigkeit bei potenziell geringerem Energieverbrauch. 

Bisherige neuromorphe photonische Netzwerke basieren jedoch auf einem Prinzip, das viel Platz erfordert und nur begrenzt flexibel ist. Mit NEON wollen Moselund und ihr Team daher ein neues Konzept verfolgen: Sie wollen optische Moden als künstliche Neuronen nutzen, die durch ihren Wettbewerb um die Laserverstärkung miteinander verbunden sind. Dadurch lassen sich deutlich dichtere und somit platzsparende Netzwerke realisieren.

In einem früheren Gemeinschaftsprojekt mit Forschenden am Imperial College London konnte bereits gezeigt werden, dass die Idee funktioniert: Ein einfaches modenbasiertes neuromorphes photonisches Netzwerk konnte mit erstaunlich hoher Genauigkeit einen Bilddatensatz erkennen. Für den letzten Schritt der Auswertung war dabei allerdings noch Software nötig gewesen. Im Rahmen von NEON sollen stattdessen Prinzipien der Festkörperphysik genutzt werden, indem sogenannte elektrooptische Modulatoren zum Einsatz kommen.

Ein tieferes Verständnis der Physik dieser Netzwerke, eine verbesserte Architektur und letztlich eine höhere Energieeffizienz sind das Ziel des Projekts NEON. Konkret möchten die Forschenden mit NEON ein vollständig integriertes photonisches Netzwerk mit einem Durchmesser von nur rund 100 Mikrometern erreichen – das entspricht etwa dem Durchmesser eines menschlichen Haares. Gelingt dies, wäre das ein bedeutender Fortschritt gegenüber dem aktuellen Stand der Technik.

«Die Photonik bietet uns faszinierende Möglichkeiten, lernfähige Netzwerke zu bauen», fasst Kirsten Moselund zusammen. «Der aktuelle Trend in der künstlichen Intelligenz führt zu einem hohen Energieverbrauch. Wir hoffen, mit unserer Forschung dazu beitragen zu können, dies zu durchbrechen und zugleich bessere und leistungsfähigere neuromorphe Netzwerke zu bauen, die auf Festkörperphysik statt auf Software basieren.»

Die zugesprochenen Finanzen sollen unter anderem eingesetzt werden, um mehrere Forschende auf Promotions- und Postdoktoranden-Positionen einzustellen, die als Teil von Moselunds Team zu NEON beitragen werden.

Neben wissenschaftlichem Erkenntnisgewinn sehen die Forschenden auch wirtschaftliches Potenzial und zielen daher auch auf die Gründung eines Start-ups, um die Technologie weiterzuentwickeln und anzuwenden.