Wissenschaftler haben ein Hybridteilchen aus Licht und Materie entwickelt

Computer werden seit den 1940er Jahren mit Elektronen betrieben, doch die KI stößt diesen Ansatz an seine Grenzen – Elektronen erzeugen Wärme und verschwenden Energie, während sie sich durch die Chips bewegen, und das Problem verschärft sich, je mehr Daten man ihnen zuführt.

Licht hat diese Probleme nicht, da Photonen ladungsneutral sind und Informationen schnell und mit minimalen Verlusten übertragen. Das Problem ist jedoch, dass dieselbe Neutralität, die sie so effizient macht, dazu führt, dass sie kaum mit irgendetwas in Wechselwirkung treten, was sie für die Schaltlogik, auf die Computer angewiesen sind, unbrauchbar macht.

Eine Gruppe unter der Leitung des Physikers Bo Zhen von der University of Pennsylvania hat einen Weg gefunden, dies zu umgehen, indem sie ein sogenanntes Exziton-Polariton erzeugt hat – ein Hybridteilchen, das entsteht, wenn Photonen in einem atomar dünnen Halbleiter eine starke Bindung mit Elektronen eingehen.

Wie das Team das Licht zum Leuchten brachte

Durch die Zhen-Kopplung kann Licht auf eine Weise mit seiner Umgebung interagieren, wie es normale Photonen nicht können, wodurch es in der Lage ist, die für Computer erforderlichen Schaltvorgänge auszuführen.

Der Energieaufwand ist äußerst gering. Das Team demonstrierte das Schalten ausschließlich mit Licht unter Verwendung von etwa 4 Billiardstel Joule, was weit weniger ist, als man benötigen würde, um eine winzige LED kurzzeitig mit Strom zu versorgen.

„Da Photonen ladungsneutral sind und keine Ruhemasse besitzen, können sie Informationen schnell und mit minimalem Verlust über große Entfernungen transportieren“, sagte Li He, Co-Erstautor der in „Physical Review Letters“ veröffentlichten Studie und ehemaliger Postdoktorand in Zhens Labor.

„Diese Neutralität bedeutet jedoch, dass sie kaum mit ihrer Umgebung interagieren, weshalb sie sich für die Art von Signalumschaltlogik, auf die Computer angewiesen sind, nicht eignen.“

Der Exziton-Polariton-Ansatz umgeht diese Einschränkung, ohne dabei auf die Geschwindigkeits- und Effizienzvorteile zu verzichten, die Licht überhaupt erst so attraktiv machen.

Was dies für die KI-Hardware der Zukunft bedeuten könnte

Einige experimentelle photonische KI-Chips nutzen zwar bereits Licht für bestimmte Berechnungen, doch sobald sie nichtlineare Operationen ausführen müssen – also die Entscheidungsschritte bei der KI-Verarbeitung –, müssen sie die Lichtsignale wieder in elektronische Signale umwandeln, was den gesamten Prozess verlangsamt und Energie verbraucht. Wenn Exziton-Polaritonen diese Schritte bewältigen könnten, ohne wieder in Elektronen umgewandelt zu werden, würde dies einen der größten Engpässe im photonischen Rechnen beseitigen.

Die größte Herausforderung besteht hier jedoch darin, die Technologie in größerem Maßstab umzusetzen. Wenn dies jedoch gelingt, könnte dies zu Chips führen, die visuelle Informationen direkt von Kameras verarbeiten, ohne dass diese zwischen Licht und Elektrizität umgewandelt werden müssen, den Energiebedarf großer KI-Systeme senken und möglicherweise sogar in Zukunft grundlegende Funktionen des Quantencomputings unterstützen.

Quellenhinweis:

Forget electrons, this breakthrough uses light-matter particles to power AI, published by University of Pennsylvania, May 2026.