Der tiefe Weltraum, das Herz eines Kernreaktors und die Oberfläche eines Planeten wie dem Mars stellen Umgebungen dar, in denen die Elektronik, auf die wir im Alltag vertrauen, schlichtweg aufhört zu funktionieren. Die Siliziumchips, die unsere Telefone und Computer antreiben, basieren auf der Bewegung elektrischer Ladung – ein Mechanismus, der instabil wird, wenn er extremer Hitze, intensiven Magnetfeldern oder der unsichtbaren Bombardierung durch Strahlung ausgesetzt ist. In diesen feindseligen Zonen können die Atome, aus denen ein Computer besteht, aus ihrer Position geschlagen werden, oder die winzigen Ströme können durch Barrieren tunneln, die sie nie überqueren sollten, was zum Ausfall der Maschine führt. Seit Jahrzehnten versuchen Ingenieure, diese fragilen Geräte mit schwerer Abschirmung zu schützen, aber das erhöht das Gewicht für Raumfahrzeuge zu stark und kann den erdrückenden Bedingungen innerhalb eines Fusionsreaktors nicht standhalten. Die wissenschaftliche Gemeinschaft sucht schon lange nach einer anderen Art von Hardware, die sich nicht auf den fragilen Fluss von Ladung verlässt, sondern stattdatt den intrinsischen Spin von Elektronen nutzt – eine Eigenschaft, die gegenüber dem Chaos extremer Umgebungen weitaus robuster ist.

Ein Forscherteam hat nun den Prototyp einer solchen funktionierenden Maschine demonstriert, einen Computerchip, der ohne digitale Verarbeitung arbeitet und Bedingungen übersteht, die herkömmliche Elektronik zerstören würden. Sie bauten ein Gerät aus einer speziellen Art von Material namens Antiferromagnet, einer Substanz, bei der die internen magnetischen Spins in einem starren, entgegengesetzten Muster festgeschrieben sind, was das Material für externe Magnetfelder unsichtbar macht. Indem sie eine dünne Schicht dieses Materials, bestehend aus Mangan und Iridium, auf einen speziellen Kristall platzierten, der seine Form ändert, wenn Spannung angelegt wird, schufen sie ein System, in dem Elektrizität durch mechanische Spannung gesteuert werden kann, anstatt durch das Drücken großer Mengen an Strom durch den Chip. Dieser Ansatz ermöglicht es dem Gerät, komplexe Berechnungen direkt auf analogen Rohsignalen durchzuführen, wie etwa Schallwellen oder Kamerabildern, ohne sie zuvor in die Einsen und Nullen eines digitalen Computers umwandeln zu müssen. Das Ergebnis ist ein Prozessor, der Sprache erkennen, Objekte identifizieren und eine Drohne autonom steuern kann, während er Temperaturen von bis zu 500 Kelvin, Magnetfeldern von 55 Tesla und Strahlendosen standhält, die einen Standard-Mikrochip sofort grillen würden.

Der Kern dieses Durchbruchs liegt darin, wie das Gerät Informationen verarbeitet. Anstatt ein Signal in ein starres digitales Format zu zwingen, lassen die Forscher die rohe analoge Spannung einer Schallwelle oder eines Bildes das Material direkt in verschiedene physikalische Zustände drängen. Da das Material über ein geschichtsabhängiges Gedächtnis verfügt, ändert sich sein elektrischer Widerstand auf komplexe, nicht-lineare Weise, je nachdem, welchen Weg es genommen hat, um dorthin zu gelangen. Das Team entdeckte, dass sie durch das Anlegen verschiedener kleiner Bias-Spannungen an ein Array dieser Geräte eine vielfältige Menge an Reaktionen erzeugen konnten, die ungeordnete Daten natürlich trennen und organisieren. Dieser Prozess, den sie als „input-modulated in-situ self-refreshing encoding“ bezeichnen, ermöglicht es der Hardware, nützliche Merkmale aus einem Signal sofort zu extrahieren, ohne die langsamen, energiehungrigen digitalen Vorverarbeitungsschritte, die normalerweise einer maschinellen Lernprozedur vorausgehen. Das Gerät fungiert als physischer Filter, der einen chaotischen Datenstrom in ein klares Muster verwandelt, das ein einfacher Klassifizierer lesen kann.

In ihren Tests speisten die Forscher rohe Audioaufnahmen gesprochener Wörter direkt in den Chip ein. Ohne jegliche digitale Konvertierung oder zeitaufwendige Signalbereinigung identifizierte das Gerät die Wörter mit einer Genauigkeit von 99,8 Prozent. Sie testeten das System auch mit visuellen Daten und ließen es Gesten und Objekte in verrauschten, qualitativ minderwertigen Bildern erkennen, die die schlechte Sicht simulieren, wie man sie oft im Weltraum oder während Sonnenstürmen vorfindet. Der Chip konnte zwischen verschiedenen Handbewegungen unterscheiden und visuelle Ziele mit nahezu perfekter Genauigkeit identifizieren, selbst wenn die Bilder verschwommen oder durch Interferenzen korrumpiert waren. Diese Fähigkeit ist entscheidend, da dies bedeutet, dass ein Raumfahrzeug oder ein Roboter kritische Entscheidungen in Echtzeit treffen kann, indem es unmittelbar auf seine Umgebung reagiert, sobald es etwas sieht oder hört, anstatt auf die Übertragung und Verarbeitung der Daten zur Erde zu warten.

Um zu beweisen, dass diese Technologie für die reale Navigation genutzt werden kann, integrierte das Team den Chip in eine kleine Drohne. Die Drohne flog autonom, wobei sie eine Kamera nutzte, um Bodenmarkierungen zu finden, und den antiferromagnetischen Chip verwendete, um zu entscheiden, wohin sie als Nächstes steuern sollte. Das System verarbeitete den visuellen Input direkt und übersetzte die gesehenen Muster in Flugbefehle wie „nach links drehen“, „sinken“ oder „landen“. Die Drohne navigierte erfolgreich einen Kurs, wich Hindernissen aus und landete präzise, während der Chip mit einer Geschwindigkeit operierte, die weit über der traditioneller Prozessoren liegt, und dabei nur einen winzigen Bruchteil der Energie verbrauchte. Das gesamte System verbrauchte lediglich etwa 0,2 Femtojoule pro einzelner Operation – ein Effizienzniveau, das um Größenordnungen besser ist als aktuelle digitale Systeme.

Der vielleicht beeindruckendste Aspekt dieser Arbeit ist die schiere Resilienz der Hardware. Die Forscher setzten den nackten Chip Bedingungen aus, die für Standard-Elektronik praktisch unmöglich zu überleben sind. Sie setzten ihn Magnetfeldern von 55 Tesla aus, was mehr als eine Million Mal stärker ist als das Erdmagnetfeld, und das Gerät funktionierte weiterhin fehlerfrei. Sie erhitzten ihn auf 500 Kelvin und beschossen ihn mit Strahlendosen von 1,5 Millionen Rad – Werte, die die Logikgatter eines konventionellen Computers sofort zerstören würden. Selbst nach diesen extremen Versuchen behielt der Chip seine Fähigkeit, Informationen zu verarbeiten und Muster zu erkennen. Dies deutet darauf an, dass die grundlegende Physik des antiferromagnetischen Materials ihn vor den Störungen schützt, die normalerweise zum elektronischen Versagen führen, und somit einen neuen Weg für die Erkundung in den gefährlichsten Winkeln unseres Universums eröffnet.

Die Auswirkungen dieser Arbeit erstrecken sich über den Bau besserer Computer für den Weltraum hinaus. Indem sie zeigten, dass komplexe Aufgaben wie Spracherkennung und autonome Navigation direkt im Analogbereich durchgeführt werden können, haben die Forscher die Tür zu einer neuen Klasse von Computern geöffnet, die von Natur aus schnell, effizient und robust sind. Das Gerät benötigt keine Abschirmung, Kühlung oder Schutz; es funktioniert einfach aufgrund der Art und Weise, wie seine Atome angeordnet sind. Dies könnte die Art und Weise, wie wir Systeme für Deep-Space-Missionen, Kernfusionsreaktoren und Hochenergiephysik-Experimente entwerfen, revolutionieren – Orte, an denen die Umgebung zu hart für die empfindlichen Siliziumchips ist, auf die wir uns derzeit verlassen. Das Team ist über die Theorie hinaus zu einem funktionierenden Prototypen gelangt und hat bewiesen, dass ein Computer aus Materialien gebaut werden kann, die in genau jenen Bedingungen gedeihen, die alles andere zerstören.

Dieser Erfolg markiert einen bedeutenden Wandel in der Art und Weise, wie wir über das Rechnen in extremen Umgebungen denken. Jahrelang war die Lösung für harte Bedingungen der Bau dickerer Wände und schwererer Schilde – eine Strategie, die zunehmend unhaltbar wird, da Missionen immer weiter in das Unbekannte vorstoßen. Dieser neue Ansatz legt nahe, dass die Lösung im Wechsel des Materials selbst liegt. Durch die Nutzung des Spins von Elektronen anstelle ihrer Ladung und durch die Nutzung des natürlichen Gedächtnisses magnetischer Materialien haben die Forscher einen Prozessor geschaffen, der nicht nur resistent gegen Schäden ist, sondern fundamental darauf ausgelegt ist, dort zu operieren, wo andere versagen. Die Fähigkeit, hochgradig intelligente Aufgaben mit so geringem Energieaufwand und so hoher Geschwindigkeit auszuführen, während gleichzeitig die härtesten vorstellbaren Bedingungen überstanden werden, stellt einen echten Sprung nach vorn in unserer Fähigkeit dar, die extremsten Grenzen unserer Welt und darüber hinaus zu erforschen und zu verstehen.