Forschende der Cornell University haben eine neue Strategie für die Entwicklung energieeffizienter optischer Computersysteme entdeckt, indem sie die theoretischen Grenzen des lichtbasierten Rechnens untersuchten. Die in *Nature Communications* veröffentlichte Studie bietet eine innovative Lösung für eine zentrale Herausforderung beim Bau lichtbetriebener Computer: die Miniaturisierung der Geräte für praktische Anwendungen.

Die Hauptautoren Francesco Monticone und Yandong Li analysierten die Skalierungseigenschaften von Freiraumoptik und photonischen Schaltkreisen und untersuchten deren Größenwachstum. Monticone erklärte: „Optisches Rechnen bietet erhebliche Vorteile hinsichtlich der Energieeffizienz, doch seine Praktikabilität wird stark eingeschränkt, wenn das optische System zu groß ist. Photonen lassen sich schwieriger auf kleinem Raum einschließen als Elektronen. Daher konzentrierten wir uns auf die Untersuchung des grundlegenden Zielkonflikts zwischen Aufgabenkomplexität, Leistung und minimaler physikalischer Größe.“

Um dieses Problem zu lösen, ließen sich die Forschenden von Deep-Learning-Techniken des „Neural Pruning“ inspirieren und entwickelten eine optisch spezifische Pruning-Methode auf Basis der Wellenphysik. „Wir haben die Verbindungsmuster optischer Geräte analysiert und eine Methode entwickelt, um die Überlappung von Lichtwellen zu bestrafen. Dadurch konnten wir das Netzwerk deutlich vereinfachen, ohne die Genauigkeit wesentlich zu beeinträchtigen“, so Yandong Li. Mithilfe dieser Technik konnten die Forscher die Größe eines optischen Rechensystems, das dieselbe Aufgabe erfüllt, auf 1 bis 10 % der Größe eines herkömmlichen Computers reduzieren.

Die Studie schätzte außerdem die Größe des optischen Computers ab, der für lineare Operationen in großen Sprachmodellen erforderlich ist. Dabei zeigte sich, dass optische Freiraumgeräte Berechnungen theoretisch in nur etwa 1 cm dicken Geräten durchführen könnten. Weiterhin ergab die Studie einen Trend abnehmender Inferenzgenauigkeit mit zunehmender Größe der optischen Geräte. Dies unterstreicht die Bedeutung eines ausgewogenen Verhältnisses zwischen Gerätegröße und Rechenleistung. Obwohl rein optische Computer ein langfristiges Ziel bleiben, sehen die Forscher in Hybridsystemen ein direkteres Anwendungspotenzial. Hierbei übernimmt Licht lineare Operationen, während Elektronik nichtlineare Funktionen bereitstellt.

Weitere Informationen: Yandong Li et al., „Spatial Complexity of Optical Computing: Towards Spatially Efficient Design“, *Nature Communications* (2025). Zeitschrifteninformationen: *Nature Communications*