Fysicus van de TU Kaiserslautern ontvangt miljoenen euro EU-subsidie voor de bouw van een kunstmatig brein

Juniorprofessor Dr. Philipp Pirro van de TU Kaiserslautern. (Foto: TUK/view) / Juniorprofessor Dr. Philipp Pirro (Foto: TUK/view)

Het brein met zijn ongeveer 100 miljard zenuwcellen verwerkt zintuiglijke indrukken in enkele milliseconden. Daarbij zijn de cellen nauw verbonden via synapsen. Het brein dient als voorbeeld voor onderzoek naar neuromorfe computers. De complexe verbindingen die hiervoor nodig zijn, worden echter beperkt door gangbare hardware. Het doel van een nieuw project is om dit te veranderen: informatie moet worden overgedragen met behulp van magnonen, de kwantumdeeltjes van de spingolven. Juniorprofessor Dr. Philipp Pirro van de Technische Universiteit Kaiserslautern wordt hiervoor vijf jaar lang erkend met een ERC Starting Grant ter waarde van 1,5 miljoen euro door de Europese Onderzoeksraad (ERC).

Het menselijk brein is uiterst complex: informatie wordt overgedragen via synapsen tussen zenuwcellen. In het onderzoek wordt het brein als voorbeeld genomen om bijzonder efficiënte computers te bouwen, zogenaamde neuromorfe computers. Ook hier worden kunstmatige neuronen via kunstmatige synapsen zeer nauw verbonden. Met dergelijke computers moet de gegevensverwerking in de toekomst aanzienlijk worden versneld, wat bijvoorbeeld belangrijk is voor autonoom rijden of het herkennen van patronen in complexe databases.

Om dit systeem soepel te laten functioneren, is de technische inrichting van de synaptische verbinding van cruciaal belang. "Ze zijn zeer complex, daarom is het moeilijk om ze met conventionele elektronische schakelingen te realiseren," zegt juniorprofessor Dr. Philipp Pirro, die aan de TUK onderzoek doet op het gebied van magnetisme.

Het team rond de fysicus uit Kaiserslautern werkt eraan om dit probleem te overwinnen. Daarbij maakt het gebruik van spingolven, de collectieve excitaties van spins in een magnetisch materiaal. Bij spin gaat het om de intrinsieke hoekmomentum van een kwantumdeeltje, bijvoorbeeld bij een elektron of proton. Dit vormt de basis voor magnetische fenomenen.

Spingolven zijn interessant voor toepassingen omdat hun kwantumdeeltjes, de magnonen, meer informatie kunnen transporteren dan elektronen en tegelijkertijd veel minder energie verbruiken.

In het door de ERC gefinancierde project "CoSpiN – Coherent Spintronic Networks for Neuromorphic Computing" moeten de spingolven worden ingezet om de verbinding en de informatieoverdracht mogelijk te maken. "Het principe lijkt op breedbandcommunicatie, waarbij informatie via lichtgolven wordt getransporteerd. We willen werken met spingolven die informatie op verschillende frequenties kunnen transporteren," legt Pirro uit. "Ze fungeren als synapsen." Als kunstmatige neuronen dienen nanooktoscillatoren. Dat zijn heel kleine trillinggenerators die spingolven uitzenden.

Het doel is om fysieke bouwstenen te ontwikkelen voor een nieuw soort spintronisch netwerk op nanomaatschaal. "Hiermee willen we de fundering leggen voor een kunstmatig brein dat zo dicht mogelijk bij het natuurlijke voorbeeld ligt," zegt de fysicus uit Kaiserslautern. Met zo'n technologie zouden in de toekomst bijvoorbeeld snellere en krachtigere computers kunnen worden gerealiseerd.

Het werk zal plaatsvinden in het nieuwe onderzoeksgebouw LASE (Laboratory for Advanced Spin Engineering) op de campus van de TUK. Pirros onderzoek is geïntegreerd in het door de deelstaat gefinancierde profielgebied OPTIMAS (Optiek en Materiaalwetenschap) en het Sonderforschungsbereich (SFB/TRR 173) "Spin+X – Spin in its collective environment", dat wordt gefinancierd door de Deutsche Forschungsgemeinschaft.

Vragen beantwoord door:
Juniorprofessor Dr. Philipp Pirro
Lehrgebiet Magnetismus / TU Kaiserslautern
Tel.: 0631 205 4092
E-mail: ppirro[at]rhrk.uni-kl.de