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blaue Lichtwellen

Ein Material, das rechnet

Metamaterialien können mehr als Gegenstände verschwinden lassen. Ihre Eigenschaft, Licht auf ungewöhnliche Weise zu brechen, hat Forscher auf die Idee gebracht, sie auch für komplexe Rechnungen zu verwenden. Ein derartiger Analogrechner wäre heutigen Computern in manchen Bereichen überlegen.

Technologie 10.01.2014

Anders rechnen

Die Studie im "Science":

"Performing Mathematical Operations with Metamaterials" von Alexandre Silva et al., erschienen am 9. Jänner 2014.

Heutige Computer sind elektronische Universalmaschinen. Sie können unterschiedliche Daten verarbeiten und beliebige Funktionen ausführen - ein Umstand, der für ihren Siegeszug entscheidend war. Letztlich basiert alles auf kleinen Informationseinheiten, die einen von zwei Zuständen annehmen können. Vor der digitalen Revolution gab es auch Rechenhilfsmittel, die völlig anders funktionierten: sogenannte Analogrechner.

Diese verwenden keine diskreten Größen, sondern kontinuierliche mechanische oder elektrische Werte. Analog bedeutet dabei zweierlei, einerseits im Sinn einer Analogie: Der Rechner stellt gewissermaßen das Modell eines realen Systems dar. Andererseits sind die verwendeten Signale eben nicht digital, sondern analog. Vereinfacht könnte man auch sagen: digitale Rechner zählen, analoge messen.

Das vermutlich bekannteste analoge Rechengerät ist der Rechenschieber, der seit dem 17. Jahrhundert weit verbreitet war, bis er im vergangenen Jahrhundert durch den Taschenrechner verdrängt wurde. Mit Hilfe logarithmischer Skalen auf einem festen und einem beweglichen Teilen ließen sich damit sowohl einfache als auch komplexere mathematische Operationen durchführen. Es gab aber auch deutlich aufwändigere Analogrechner, zum Teil riesige Apparaturen aus Antriebswellen oder Röhren. Im 20. Jahrhundert wurden auch elektronische Analogrechner gebaut, die physikalische Systeme mit Schaltkreisen nachbildeten.

Die analogen Berechnungen liefern das Ergebnis immer direkt, es muss weder quantifiziert noch digitalisiert werden. Der große Nachteil der analogen Rechner war jedoch, dass sie immer nur für einen bestimmten Zweck gebaut waren. So konnten sie nicht mit ihren omnipotenten Konkurrenten, den Digitalcomputern mithalten, die noch dazu immer kleiner und schneller wurden.

Material mit vielen Eigenschaften

Die Forscher um Nader Engheta von der University of Pennsylvania, wo übrigens auch der erste rein elektronische Universalrechner namens ENIAC entwickelt wurde, haben nun möglicherweise einen neuen Weg gefunden, wie man das fast vergessene Konzept des analogen Rechnens wiederbeleben könnte, nämlich mit Hilfe von optischen Metamaterialien.

Diese künstlich hergestellten Stoffe besitzen optische, elektrische und magnetische Eigenschaften, die in der Natur so nicht vorkommen. Dadurch lassen sich Wellen wie etwa Licht auf unerwartete Weise manipulieren bzw. brechen. Auf diese Weise kann man sogar ganze Gegenstände verschwinden lassen. Derartige "Tarnkappen" aus einem Material mit negativem Brechungsindex lenken das Licht einfach um das Objekt herum.

Lichtwellen als Eingangsgrößen

Darstellung des Materials, das rechnet

Alexandre Silva, University of Pennsylvania

Das Metamaterial erzeugt die Ableitung einer Eingangsfunktion (Lichtwelle).

Für eine analoge Berechnung mittels Metamaterial müsste man ebenfalls Licht in gezielter Weise ablenken. Eine Lichtwelle kann man sich dabei wie eine Kurve oder eine Funktion in einem Koordinatensystem vorstellen. Das Material müsste so konstruiert sein, dass auf diese Welle eine bestimmte mathematische Operation angewendet wird, beispielsweise könnte man die erste oder zweite Ableitung der Eingangsfunktion (Differentialrechnung, Anm.) erzeugen. D.h., die Lichtwelle tritt auf der einen Seite des Materials ein und auf der anderen Seite kommt deren erste Ableitung heraus. Auch andere mathematische Operationen wie Integrieren oder Falten ließen sich laut den Forschern mit entsprechender Gestaltung des Materials durchführen.

Bei ihrer Computersimulation des Analogrechners arbeiteten die Forscher zuerst mit einem idealen Material, das die Eingangsfunktion ganz nach ihren Wünschen formen könnte. Im nächsten Schritt testeten sie ihre Annahme mit den Eigenschaften von bekannten Metamaterialien. Die Ergebnisse der Simulationen waren in beiden Fällen zufriedenstellend, so dass die Wissenschaftler nun planen, das Ganze auch physisch zu testen.

Blitzschnelle Verarbeitung

Für manche Rechenaufgaben wäre eine derartige analoge Berechnung sehr viel besser geeignet als ein Digitalcomputer, wie die Forscher erklären. Für die Ableitung einer algebraischen Funktion bräuchten diese enorm viel Rechenleistung. Ein rechnendes Material hingegen könnte das Resultat hingegen augenblicklich liefern.

Hilfreich wäre das unter anderem in der Bildverarbeitung, z.B. bei der sogenannten Kantendetektion, einer Technik, die man etwa braucht, um Gesichter oder Objekte zu erkennen. Ein digitaler Rechner muss dafür das Bild Pixel für Pixel verarbeiten. Das geplante Material könnte das in einem Schritt erledigen: Das Licht des Bilds kommt auf der einen Seite rein, das errechnete Profil auf der anderen Seite raus.

Noch ist das rechnende Material wie gesagt noch nicht verwirklicht, laut den Forschern könnte es aber dem einst so schwerfälligen Analogrechnern zu einem neuen Aufschwung verhelfen, denn sie wären winzig, fast so schnell wie das Licht und sehr sparsam.

Eva Obermüller, science.ORF.at

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