Een reservoircomputer bestaande uit oscillerende colloïdale deeltjes (wit/grijs) die via stromingen in een vloeistof met elkaar verbonden zijn. Een externe excitatie (rood) genereert een collectieve dynamiek van de deeltjes, waaruit een hoogdimensionaal uitgangssignaal (blauw) voortkomt. (afb: Veit-Lorenz Heuthe, universiteit van Konstanz)

Een computer hoeft niet per se uit elektronische circuits te bestaan: de collectieve beweging van microscopisch kleine oscillatoren opent een nieuwe vorm van infor-matieverwerking, denken onderzoe-kers uit Konstanz en Stuttgart. Ze hebben voor het eerst ‘reservoir-rekenen’ ver-wezenlijkt met oscillerende deeltjes in een vloeistof. Het systeem zou energiezuiniger zijn dan bestaande computersystemen, maar mij(=as) is niet duidelijk of dit vloeibare systeem ook op alle terreinen bruikbaar is van zijn digitale concurrent.
Een zeer ongebruikelijk concept voor gegevensverwerking is experimenteel uitgeprobeerd door onderzoekers van de universiteiten van Konstanz en Stuttgart. Het is een rekentuig bestaande uit enkele honderden microscopisch kleine deeltjes die zich in bijna cirkelvormige banen door een vloeistof bewegen. In plaats van informatie te verwerken in nauwkeurig geconstrueerde elektronische circuits, maakt dit systeem gebruik van de complexe dynamiek van de interacties binnen een groep deeltjes.
Klassieke computers vertrouwen op een groot aantal eenvoudige componenten die op een precies gedefinieerde manier schakelen. Moderne neurale rekennetwerken bestaan ​​uiteindelijk ook uit veel van zulke eenvoudige eenheden, waarvan de onderlinge verbindingen specifiek ontworpen en geoptimaliseerd moeten worden. Naarmate de complexiteit van de taken toeneemt, nemen zowel de technische moeite als het energieverbruik toe.

Trillende microdeeltjes

De onderzoekers onder leiding van Clemens Bechinger, kiest voor een andere aanpak: in plaats van de gegevens in digitale circuits te verwerken, worden deze als ingangssignaal gestuurd naar een systeem van enkele honderden oscillerende microdeeltjes.
Doordat deze zich in een vloeistof bevinden, zijn hun verplaatsingen sterk gekoppeld. Daardoor ontstaat een complex netwerk van onderlinge wisselwerkingen. Het systeem reageert daarom op de invoer met een complexe, collectieve dynamiek die de kern vormt van de informatieverwerking.

Deze dynamiek genereert op natuurlijke wijze en direct complexe representaties van de invoergegevens, waarvoor conventionele computers aanzienlijke rekenkracht nodig zouden hebben. “Je meet selectief bepaalde, relatief eenvoudige eigenschappen van de deeltjesbeweging en combineert deze om de gewenste uitvoer te verkrijgen”, zegt eerste auteur Veit-Lorenz Heuthe. Dit principe staat bekend als reservoirrekenen en zou hier voor het eerst zijn toegepast in een microscopisch meerdeeltjessysteem.

“In tegenstelling tot klassieke computers hoef je de onderliggende dynamiek niet tot in detail te begrijpen, noch hoef je die volledig te beheersen”, zegt Bechinger, hoogleraar vaste stof in Konstanz. “De enige wezenlijke factor is dat het systeem betrouwbaar reageert op de invoer. Dan kan de natuurkunde ervan direct worden gebruikt voor informatieverwerking.”

Chaotische tijdsreeksen

Met hun aanpak konden de onderzoekers onder andere chaotische tijdreeksen nauwkeurig voorspellen. Opmerkelijk is dat deze methode zelfs de kleinste onregelmatigheden in het patroon van onregelmatige invoergegevens kan detecteren. Vooral bij zeer ruisrijke meetgegevens – bijvoorbeeld uit seismologisch of klimaatonderzoek – kunnen dergelijke subtiele veranderingen belangrijke waarschuwingssignalen zijn.

Hoewel het nog steeds puur een experimenteel systeem is, zouden de resultaten aantonen dat informatieverwerking direct kan worden afgeleid uit de natuurkunde van complexe systemen. Op de lange termijn opent dit perspectieven voor energiezuinige computertechnologieën en intelligente sensorsystemen die gegevens verwerken waar deze wordt gegenereerd, denken de onderzoekers.

Bron: idw-online.de