Die Redewendung „weniger ist mehr“ wird oft im übertragenen Sinne verwendet – doch der Elektrotechnik-Professor Giuseppe Freitas de Abreu von der Constructor University ist davon überzeugt. Der Einsatz von nahezu nichts könne drahtlose Kommunikationsgeschwindigkeiten ermöglichen, die heute noch unvorstellbar sind. In einem wegweisenden neuen Forschungsprojekt vereinen Professor de Abreu und sein Team Quantencomputing-Technologien mit einem Ansatz namens „Hyper-Dimensionale Sparse Modulation“ (HDSM), um höchsteffiziente Kommunikationsnetze zu entwickeln. Diese sind in der Lage enorme Datenmengen zu übertragen, indem sie buchstäblich das Nichts zu einer zentralen Ressource machen.
Netzüberlastung, Energiebedarfe und drohendes Stocken des Fortschritts
Angesichts zunehmender Netzüberlastung, stark steigender Energiebedarfe und immer geringerer Effizienzgewinne durch konventionelle Technologien droht der Fortschritt in der drahtlosen Kommunikation erstmals in der modernen Geschichte ins Stocken zu geraten. Projekt QUBYSM könnte diese Entwicklung grundlegend verändern und das Verhältnis zwischen Energieaufwand und Leistungsfähigkeit neu definieren. Das Projekt wird für drei Jahre von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.
Wachsende Datenraten, begrenzte Ressourcen und die Grenzen klassischer Technologie
Im Kern befasst sich Projekt QUBYSM mit einem ebenso einfachen wie alarmierenden Dilemma moderner drahtloser Netzwerke: dem stetig wachsenden Bedarf an höheren Datenraten und schnelleren Übertragungen in einer Welt begrenzter Ressourcen. Die klassische Rechentechnologie, die technologische Fortschritte bislang zuverlässig getragen hat – etwa durch das Mooresche Gesetz, das über Jahrzehnte eine Verdopplung der Rechenleistung etwa alle zwei Jahre beschrieb – tendiert zu einer Verlangsamung. Es ist absehbar, dass dieser Ansatz unseren wachsenden Anforderungen in naher Zukunft nicht mehr gerecht werden kann. In Kombination mit realen Herausforderungen wie steigendem Energieverbrauch und Ressourcenknappheit könnten drahtlose Systeme an einen Punkt gelangen, an dem Fortschritt nicht mehr allein durch leistungsstärkere Prozessoren oder komplexere Algorithmen erzielt werden kann. Stattdessen ist ein grundlegendes Umdenken erforderlich, wie vorhandene Ressourcen optimal genutzt werden können.
HDSM als Muster aus aktiven und bewusst inaktiven Ressourcen
Professor de Abreu und sein Team sehen den Schlüssel hierzu im Konzept der Hyper-Dimensionalen Sparse Modulation (HDSM) – einem Ansatz, der Effizienz neu definiert, indem er die Abwesenheit einer Ressource selbst zur nutzbaren Ressource macht. Betrachtet man beispielsweise ein Kommunikationssystem, das über ein begrenztes Frequenzband verfügt, werden in klassischen Systemen mit zunehmender Datenmenge immer mehr Frequenzen belegt, bis das Netz schließlich an seine Kapazitätsgrenze stößt. Ein nach HDSM-Prinzipien aufgebautes System hingegen überträgt Informationen, indem es zu jedem Zeitpunkt nur wenige dieser Frequenzen aktiviert. Entscheidend ist dabei das Muster: welche Teile des Systems aktiv sind – und vor allem, welche bewusst inaktiv bleiben. Diese Muster bilden eine komplexe „Sprache“, die es ermöglicht, exponentiell mehr Informationen zu übertragen, obwohl nur ein Bruchteil der verfügbaren Ressourcen genutzt wird.
Polyphonie der Ressourcen und explosionsartig wachsende Kombinationen
Der Postdoktorand und QUBYSM-Projektmitarbeiter Dr. Hyeon Seok Rou veranschaulicht das Konzept mit dem Bild eines Klaviers, bei dem jede Taste ein musikalisches Informationselement trägt – ebenso wie Zeitpunkt, Dauer, Anschlagstärke und weitere Eigenschaften eines Tons. „Man kann mehrere Tasten gleichzeitig spielen und so Akkorde und Harmonien erzeugen – eine Polyphonie aus Information“, erklärt er. „Nicht nur die Art, wie die einzelnen Tasten gemeinsam gespielt werden, spielt eine große Rolle, sondern auch die Tasten, die ungespielt bleiben.“ So werde deutlich, wie viel Ausdruckskraft selbst in einer sparsamen Auswahl liegen könne. Das volle Potenzial von HDSM zeige sich jedoch erst, wenn mehrere Ressourcen kombiniert werden. „Stellen Sie sich nun einen Raum voller Klaviere vor, die alle verfügbaren Kommunikationsressourcen repräsentieren – Antennen, Zeitschlitze, Wellenform-Eigenschaften und mehr. Jede Ressource fügt der Sprache eine weitere Dimension hinzu, und die Zahl der möglichen Kombinationen wächst explosionsartig“, so Rou. „Auch wenn diese ‚Musik‘ für das menschliche Ohr chaotisch und dissonant wirken mag, steht sie aus Systemsicht für enorme Informationsmengen, die gleichzeitig gesendet und empfangen werden.“
Multidimensionale Signale und Quantencomputing als Ausweg für HDSM
Diese enorme Komplexität stellt jedoch selbst eine zusätzliche Herausforderung dar: Eine derart vielschichtige „Sprache“ zu übertragen – und sie in Echtzeit zu empfangen und zu entschlüsseln – kann die Rechenleistung selbst modernster klassischer Computer überfordern. Professor de Abreu und sein Team sind jedoch überzeugt, dass Quantencomputing hier einen Ausweg bietet. Quantensysteme eignen sich besonders für genau jene Art multidimensionaler Verarbeitungsaufgaben, die HDSM erfordert. Nach Einschätzung des Forschungsteams könnte es bereits mit heutiger Quantencomputer-Technologie möglich sein, das volle Potenzial von HDSM auszuschöpfen. Ein zentrales Ziel von Projekt QUBYSM ist es daher, quantenbeschleunigte Mechanismen für die Gestaltung von Sendern und Empfängern zu entwickeln und so eine Brücke zwischen theoretischem Modell und real einsetzbarer Technologie zu schlagen. Ein erfolgreicher Projektverlauf könnte den Grundstein für exponentielle Effizienz- und Kapazitätsgewinne legen – und damit neue, transformative Möglichkeiten für zukünftige drahtlose Systeme eröffnen, von 6G-Netzen bis hin zu immersiven Anwendungen und sensorbasierten Technologien wie autonomen Fahrzeugen oder Fernoperationen, die eine nahezu verzögerungsfreie Datenübertragung erfordern.
