Selbstlernendes Computerprogramm simuliert neuronale Netzwerke

Lernende Maschinen spielen bereits besser Schach und Go als Menschen. Dank solch lernender Algorithmen schaffen Forscher jetzt auch Berechnungen, für die es sonst Supercomputer in der Größe unseres Planeten bräuchte.

Wie sich ein geworfener Ball bewegt, lässt sich relativ einfach mit der klassischen Mechanik beschreiben. Die Bewegung von Quantenteilchen ist da um vieles kniffliger. Für die Erforschung komplexer Moleküle (beispielsweise auch für die Medizin), neuer Materialien oder für den Bau von Quantencomputern wäre es aber eine wichtige Grundlage, Quantensysteme aus vielen Teilchen mathematisch zu erschließen.

Giuseppe Carleo und Matthias Troyer von der Eidgenössisch-Technischen Hochschule (ETH) Zürich stellten nun im Fachblatt "Science" eine Methode vor, auch komplexer Quantensysteme mathematisch Herr zu werden: Mithilfe selbstlernender Algorithmen nach dem gleichen Prinzip wie "AlphaGo", die Google-Software, die 2016 den weltbesten menschlichen Go-Spieler in dem chinesischen Brettspiel besiegte.

Computerprogramm simuliert neuronale Netzwerke im Gehirn

Die Bewegung von Quantenteilchen lässt sich mit Hilfe von Erwin Schrödingers Wellengleichung beschreiben. Diese Gleichung wird jedoch exponentiell komplexer, je mehr Teilchen zu einem Quantensystem gehören, wie die ETH Zürich am Donnerstag mitteilte. Die besten Supercomputer schaffen die Berechnung derzeit für maximal 50 Teilchen. Für 100 würde auch ein Supercomputer in der Größe der Erde nicht reichen. Carleo und Troyer entwickelten daher ein spezielles lernfähiges Computerprogramm auf Basis sogenannter künstlicher neuronaler Netzwerke. Dieses Programm ließen sie trainieren, die komplexen Gleichungen zu vereinfachen. Dabei fand der Algorithmus selbst heraus, welche Parameter in dem kniffligen Gleichungssystem wichtig sind und welche vernachlässigbar.

Philosophische Fragen

Der neue Ansatz erlaubt, Quantensysteme mit mehr als 100 Teilchen mit vereinfachten Gleichungen und daher vernünftigem Rechenaufwand zu beschreiben, schrieb die ETH. Nun wollen die Forscher die Limiten dieser Herangehensweise ausloten.Dabei gehe es letztlich auch um eine philosophische Frage, sagte Carleo laut der Mitteilung: "Wie komplex ist die Wellenfunktion eines physikalischen Systems tatsächlich?" Am Ende könnten die Quantenwelten einfacher zu fassen sein als bisher gedacht.