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Hybride Rechner aus Nerven und Glasfaser
Wolfram Pernice erforscht, wie Computer auf Basis neuronaler Netzwerke in Zukunft noch schneller und effizienter rechnen könnten: mit Licht statt Elektronik. Und echten Nerven statt Glasfasern.
Ein langgehegter Traum der Medizintechnik ist es, Prothesen – wie in Science-Fiction-Filmen üblich – allein mit Gedankenkraft zu steuern. Ein bionischer Arm zum Beispiel, der nach einem Unfall chirurgisch angebracht wurde, soll sich wie ein natürlicher Teil des eigenen Körpers anfühlen. Und genauso gut funktionieren wie der alte Arm. Oder sogar besser. Star Wars-Held Luke Skywalker lässt grüßen.
Erste Ansätze dazu existieren bereits, doch meist hakt die Signalübersetzung noch und die Bewegungen bleiben eingeschränkt. Es ist sehr schwer, den komplexen natürlichen Informationsaustausch zwischen Gehirn und Muskeln eins zu eins nachzustellen. Das entscheidende Teil dafür ist die sogenannte Gehirn-Computer-Schnittstelle – ein Mikrochip, der ans Nervensystem angeschlossen wird. Er übersetzt die Hirnimpulse in elektronische Steuersignale für die Prothese und umgekehrt deren Tastsignale in Empfindungen.
Out of the box
An solchen Chips, die nicht nur in der Medizin, sondern auch in der Computertechnik allgemein eingesetzt werden könnten, arbeitet Wolfram Pernice, Professor für Experimentalphysik an der Universität Heidelberg.
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Wolfram Pernice im Videoportrait: Gehirn trifft Chip – Hybridsysteme für den KI-Energiehunger
Pernices Ansatz ist völlig neu und deshalb fördert ihn die VolkswagenStiftung mit ihrer Förderinitiative Momentum: Es unterstützt Forschende bei Vorhaben, die verheißungsvoll sind, jedoch unkonventionelle Wege gehen. Sie tasten sich in wissenschaftliches Neuland vor mit ungewissem Ausgang – und finden deshalb bei anderen Förderinstitutionen weniger Beachtung.
In der Grundlagenforschung ist es sogar die Regel, dass erst einmal nichts funktioniert wie gedacht.
Gerade das sei das spannende an der Grundlagenforschung und einem Programm wie Momentum, meint Pernice: "Hier darf und kann ich wirklich einmal ‚out of the box‘ denken und abwegige Ideen ausprobieren." Dabei sei es sogar die Regel, dass erstmal nichts funktioniert. "Aber wenn man dranbleibt, findet sich manchmal eine ganz neue Lösung für ein wichtiges Problem."
Seine Begeisterung für Technik führt der in Riedlingen an der Donau geborene Forscher auf seine guten Physiklehrer zurück. Und auch auf die Inspiration durch Science-Fiction: Sie nimmt viele Entwicklungen vorweg, die mit moderner Technik – ob Robotik, Nano- oder Biotechnik – in den Bereich des Möglichen rücken.
Pernices Arbeit ist so erfolgreich, dass er 2025 den Gottfried Wilhelm Leibniz-Preis erhielt, die höchst dotierte wissenschaftliche Auszeichnung in Deutschland. Bei der Verleihung lobte Katja Becker, Präsidentin der Deutschen Forschungsgemeinschaft, Pernice zeige, "wie kurz der Weg von der Grundlagenforschung zur Anwendung sein kann."
In Pernices Forschungsgruppe "Neuromorphic Quantumphotonics" arbeiten rund 60 Forscher:innen, darunter Postdoc Dr. Anna Ovvyan (links).
Licht statt Elektronen
Der Physiker erforscht Mikrochips, die nach dem Vorbild neuronaler Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind, jedoch anstelle von elektrischen mit optischen Signalen. Sozusagen Glasfaser statt Kupferkabel. Das hätte – wie beim Internet – auch für Gehirn-Computer-Schnittstellen diverse Vorteile: "Glasfaser", sagt Pernice, "kann Daten viel schneller transportieren, das Material ist günstig, biegsam, leicht zu verlegen, lange haltbar und – was für Implantate besonders wichtig ist – biokompatibel."
Gemeinsam mit Forschenden der Oxford University in England, wo Pernice einst promoviert hat, entwickelte sein Team vor Jahren einen daumennagelgroßen Mikrochip, der vier Neuronen und 60 Synapsen simuliert. "Neuromorphe photonische Systeme" nennt man solche Chips. Das Licht zirkuliert in einer speziellen Wellenleitergeometrie aus Halbleitermaterialien wie Silizium-Nitrid oder Silizium. Diese funktionieren wie Glasfaser, ermöglichen auf dem Chip jedoch noch kleinere Strukturen. So erzeugt das Licht Schaltvorgänge in Phasenwechselmaterialien, ähnlich wie auf DVDs: Sie wechseln per Laser zwischen transparent und undurchsichtig.
Auf diese Weise gelang es, mit dem optischen Chip Daten zu speichern und einfache Rechenoperationen auszuführen. "Wenn wir dieses Prinzip weiterentwickeln, lassen sich vielleicht irgendwann optische Platinen anstelle herkömmlicher Grafikkarten im Computer einsetzen", sagt Pernice. Sie wären schneller und energieeffizienter, da sie Daten mit Lichtgeschwindigkeit und ohne elektrischen Widerstand übertragen. Es entsteht auch kaum Wärme, die man ableiten muss. Mehrere Start-ups weltweit – darunter eines in Oxford, das Pernice mitgegründet hat – arbeiten daran.
So groß wie ein Daumennagel: Pernices Chip simuliert als neuromorphes photonisches System vier Neuronen und 60 Synapsen.
Erfolge auf dem Gebiet sind dringend notwendig. Denn Digitalisierung und KI-Boom treiben unseren Strombedarf in die Höhe. Rechenzentren verschlingen bereits heute 1,5 Prozent des globalen Stromaufkommens und werden ihren Bedarf laut Schätzungen bis 2030 verdoppeln. "Ohne mehr Energieeffizienz geraten wir insbesondere durch die rapide Verbreitung der Künstlichen Intelligenz mit dem Ausbau unserer Kapazitäten an Grenzen", warnt Pernice. Optische Chips könnten da helfen: Erste Labortests zeigen einen zehn- bis tausendfach geringeren Stromverbrauch pro Rechenoperation.
Rechnen mit echten Nervenzellen
Doch für das Zusammenspiel zwischen Gehirn und Maschine reicht das noch nicht. Mit einem optischen Chip lässt sich das dreidimensionale, hochverschaltete Nervengewebe unseres Gehirns kaum nachahmen. Die Chips sind auf einer oder mehreren Ebenen konstruiert. In einem Kubikmillimeter Hirngewebe stecken jedoch rund 100.000 Nervenzellen, die räumlich kreuz und quer verlaufen und jeweils über Synapsen mit hunderten oder gar tausenden anderen Nervenzellen verbunden sind – ein unüberschaubares Durcheinander von Leitungen, das jedoch sehr effizient Daten verarbeitet. "Ich sehe nicht, wie wir so etwas in absehbarer Zeit nachbauen können sollten, um Hirnsignale eins zu eins abzunehmen", sagt Pernice. "Unsere etwas gewagte Idee war daher: Könnten wir stattdessen echte Neuronen auf unseren Chips wachsen lassen und sie mit Lichtsignalen ansprechen? Dann ließe sich ihre natürliche 3D-Architektur in unsere künstlichen Chips integrieren."
Dazu mussten die Forschenden tief in die Zellbiologie einsteigen. "Davon habe ich aber wenig Ahnung", gesteht Pernice. Er hat Mikrosystemtechnik in Freiburg und Informatik an der Indiana University in den USA studiert, an der Yale University und am KIT in Karlsruhe gelehrt, sich in seiner Karriere mit Festkörperphysik, Nanofabrikation und Messtechnik beschäftigt. Aber Gehirnzellen züchten?
Dazu tat Pernice sich mit dem Zellbiophysiker Jürgen Klingauf von der Universität Münster zusammen. "Er weiß, wie man Zellen auf einem Chip kultivieren und genetisch so anpassen kann, dass sie auf Lichtsignale ansprechen und sie weiterleiten." Auch darin liege der Reiz dieses Projekts: der Kooperation mit Kolleg:innen aus anderen Disziplinen, um sich fehlende Expertise dazuzuholen. Zumal es in diesem Fall nicht nur um Mikrosystemtechnik und Zellbiologie geht. Auch Photonik – also Lichttechnik –, Materialphysik, Informatik, Halbleitertechnik und Chemie spielen hinein.
Versuch mit photonischen Chips: Neuronale Strukturen werden direkt auf den Chip gezüchtet und mithilfe von Licht gezielt stimuliert, um ihre natürliche 3D-Architektur in künstliche Systeme zu integrieren.
Pernice kennt Klingauf, da er selbst 2015 bis 2023 an der Uni Münster forschte. Dann erfolgte der Ruf ans Kirchhoff-Institut für Physik der Uni Heidelberg. Das 2019 gestartete Projekt läuft nun an beiden Standorten weiter: "Die Forschung erfolgt hauptsächlich in Heidelberg. Die Chips bauen wir in Münster."
Die Vision ist, hybride Rechnersysteme zu entwickeln, die die Vorteile beider Welten – der biologischen und der technischen – vereinen: die hochverschaltete 3D-Architektur der Gehirnzellen mit der quantenphotonischen Datenverarbeitung in Lichtgeschwindigkeit.
Abseits des Weges stößt man womöglich auf unbekannte Effekte, die zu völlig neuen Technologien führen können.
Solche Systeme könnten nicht nur Prothesen geschmeidiger und die KI energieeffizienter machen. Sie könnten auch Quantencomputern zum Durchbruch verhelfen und das Verschlüsseln von Daten erleichtern. Womöglich lässt sich damit sogar zerstörtes Nervengewebe überbrücken, um etwa Querschnittsgelähmten auf die Beine zu helfen.
Bis dahin, betont Pernice, sei es aber noch ein sehr weiter Weg. Und es sei auch nicht auszuschließen, dass Chips mit lebenden Neuronen am Ende nicht so gut funktionieren, wie erhofft. Doch selbst dann wäre die Mühe nicht umsonst: "Wir lernen bei diesem Projekt so viele wertvolle Dinge, die uns auch anderswo helfen, dass es sich in jedem Fall lohnt." Das gehöre ebenfalls zum Wesen der Grundlagenforschung: "Auch abseits des Weges stößt man womöglich auf unbekannte Effekte, die zu völlig neuen Technologien führen können."
