| Motivation: Die Metamorphose des Computers | 7 |
| Inhaltsverzeichnis | 11 |
| Kornkammern der Intelligenz | 13 |
| Informationsgesellschaft 0.5 | 14 |
| Die Eleganz der rechnenden Natur | 16 |
| Skulptur der Erfahrungen | 18 |
| Die Schule der Körper-Guerilla | 21 |
| Abb. 1–1 Veranschaulichung des Schlüssel-Schloss-Prinzips: Zwei wie Yin und Yang zusammenpassende Proteine bilden einen Komplex. | 21 |
| Führerlos glücklich | 22 |
| Entstiegen aus dem Nichts | 23 |
| Müheloses Fließen zur optimalen Lösung | 25 |
| Abb. 1–2 Wölbstruktur aus Stahl, von selbst in die stabilste Form »geploppt«. | 27 |
| Alles in einem Moment | 28 |
| Angriff auf den menschlichen Geist | 29 |
| Maschine mit Geburtsfehler | 32 |
| Das fruchtbare Scheitern der Wahrheitsmaschine | 35 |
| Maschinen für das schnöde Zahlenrechnen | 38 |
| Das Skelett des Denkens | 39 |
| Hilberts Welterklärungsprogramm | 45 |
| Gödels eleganter Traumkiller | 48 |
| Dekonstruktion des Denkens | 53 |
| Abb. 2–1 Skizze einer Turingmaschine. Die drei Arme tragen (v. l. n. r.) Lösch-, Schreib- und Lesekopf. (Quelle: Matthias Homeister, »Quantum Computing verstehen«, Springer Verlag). | 54 |
| Die Geburt der Universalmaschine | 57 |
| »Universalmaschine«, aber nicht ganz universell. | 58 |
| Die Fortschrittsmaschine und ihr Ende | 61 |
| Ein Plan für den ersten Computer | 63 |
| Abb. 3–1 Schema der Von-Neumann-Architektur | 64 |
| Das erfolgreichste Stück Technik aller Zeiten | 67 |
| Abb. 3–2 Das Moore’sche Gesetz: Die Anzahl der Transistoren auf einem Computerchip wuchs von ein paar Tausend in den 1970ern auf mehrere Milliarden Anfang der 2010er-Jahre. (Quelle: Wikipedia) | 72 |
| Füllhorn der Rechenkraft | 73 |
| Der Alptraum vom glühenden Laptop | 75 |
| The Show Must Go On! | 76 |
| Heiß wie ein Kernreaktor | 78 |
| Ausbruch aus dem Käfig | 81 |
| Information ernten | 82 |
| Abb. 4–1 Wie der »Maxwell’sche Dämon« Ordnung ins Chaos bringt. Das hypothetische Teufelchen beobachtet die einzelnen Luftmoleküle. Wenn sich ein schnelles Teilchen der Tür von links nähert, öffnet der Dämon ein Türchen und lässt es in ... | 83 |
| Rechenleistung des Lebens | 88 |
| Das lebenswichtige Vergessen | 89 |
| Der Supercomputer in einer Schaufel voll Gartenerde | 91 |
| Der Energiehunger der Computer | 93 |
| Google für das Gehirn | 94 |
| Wo der Ochs vorm Berg steht | 96 |
| Abb. 4–2 Kürzester Rundreiseweg durch die 15 größten deutschen Städte. Eine von mehr als 43 Millionen möglichen Routen. (Quelle: Wikipedia) | 98 |
| Wie die Grenzen von Raum und Zeit überwinden? | 99 |
| Abb. 4–3 Ein Sherlock Holmes findet schon ziemlich schnell ziemlich viel heraus. Doch würde er sich vervielfachen, dann würde auch Sherlocks Spürsinn in exponentiell wachsenden Mengen zur Verfügung stehen. So würde er bald auch einer explodier... | 101 |
| Die Unendlichkeitsmaschine | 104 |
| Abb. 4–4 Paradox von Zeno: Immer wenn der schnelle Achilles an den Punkt kommt, an dem die langsame Schildkröte gerade war, ist diese schon wieder ein Stückchen weiter. Zwar wird dieses Stückchen von Mal zu Mal kleiner. Doch es wird nie null. Es... | 105 |
| Über den Tellerrand schauen | 106 |
| Parship für Moleküle | 109 |
| »Meine Güte, diese Dinger könnten rechnen!« | 110 |
| Abb. 5–1 Die DNA-Doppelhelix | 111 |
| Abb. 5–2 Die im Gedankenspiel verfügbaren Direktflüge zwischen Atlanta, Boston, Chicago und Detroit. | 113 |
| Abb. 5–3 Die DNA-Symbole der Städte Atlanta und Boston (die beiden obigen Stränge) werden vom DNA-Symbol der Flugverbindung Atlanta-Boston (unterer Strang) miteinander verknüpft. | 114 |
| Der Goldrausch | 116 |
| Abb. 5–4 Wie sich ein String aus Nullen und Einsen als Graph darstellen lässt. | 118 |
| Der alles bauende Computer | 120 |
| Abb. 5–5 M. C. Eschers Bild »Tiefe« inspirierte den Physiker Ned Seeman dazu, mit der Erbsubstanz DNA 3-D-Strukturen zu programmieren. (Quelle: Wikipedia) | 121 |
| Abb. 5–6 Prinzip einer DNA-Kreuzung. Die beiden Hälften von vier DNA-Einzelsträngen verbinden sich jeweils mit den Hälften zweier anderer Einzelstränge. | 122 |
| Abb. 5–7 Prinzip einer dreidimensionalen sechsarmigen DNA-Kreuzung. Seeman wollte ein ganzes Gerüst aus sechsarmigen DNA-Kreuzungen aufbauen (das ihm als Halterung für Kristalle dienen sollte, die er untersuchte). | 122 |
| Abb. 5–8 a) Programmierung der DNA-Kacheln nach [2004Rot]. Das erste Dreieck hat sich nach vier Reihen gebildet. In den nächsten Reihen bilden sich gerade zwei weitere Dreiecke. b) Sierpinski-Dreieck (Quelle: Wikipedia) | 126 |
| Was den DNA-Computer behindert | 127 |
| Den DNA-Computer fit für den Alltag machen | 128 |
| Der Computer aus der Küche | 131 |
| Abb. 6–1 Die chemische Entscheidungs-App. Stern, Kreis und Quadrat stehen symbolisch für Moleküle. | 133 |
| Zebrafelle und Schlangenhäute ausrechnen | 133 |
| Abb. 6–2 Räuber-Beute-Beziehung (Beute: durchgezogene Linie, Räuber: gestrichelte Linie). | 134 |
| Abb. 6–3 Schnell »diffundierende« Räuber (schwarz) und langsamer »diffundierende« Beutetiere (weiß) führen, vereinfacht, zu einem weißen »Fleck« in schwarzer Umgebung. | 134 |
| Ameisen in Molekülgröße | 135 |
| Abb. 6–4 Voronoi-Diagramm. Die Linien zerteilen die Fläche in »Einflusszonen«, auf denen jeder Punkt dem eigenen »Mittelpunkt« näher liegt als jedem anderen. (Quelle: Wikipedia) | 137 |
| Abb. 6–5 Ein »chemisches GPS« findet schnell den kürzesten Weg durch ein Straßennetz. (Quelle: Empa) | 139 |
| Das Wunder im Reagenzglas | 140 |
| Abb. 6–6 Von einer BZ-Reaktion abgeleitete »Umgebungskarte«, die in Graustufen die Abstände von Hindernissen angibt (hell = nah, dunkel = fern). Darauf basierend kann ein Roboter die kürzesten Wege zwischen beliebigen Punkten A und B ausrechnen... | 143 |
| Ein Gehirn aus Wassertröpfchen | 144 |
| Abb. 6–7 Chemischer Neurocomputer. Tröpfchen (1 mm groß) mit einem BZ-Medium gefüllt erregen sich gegenseitig und verarbeiten dadurch Information ähnlich einem Gehirn. (Bild: Gareth Jones, University of Southampton) | 145 |
| Der mikroskopische Abakus | 147 |
| Abb. 6–8 Eine Weiche für Mikroroboter. Linksabbiegen bedeutet »+3« (weil die Weiche in der dritten Reihe ist, siehe Text). Rechtsabbiegen bedeutet »+0«. Am Boden haften, wie Schösslinge auf einem Feld, die Kinesin-Moleküle. Sie transportiere... | 149 |
| Abb. 6–9 Mikroskopische Aufnahme des »Rangierbahnhofs«, durch den die Mikrotubuli wandern und dabei, je nachdem wie oft sie abbiegen, umso weiter rechts herauskommen. Von links nach rechts tragen die Ausgänge anwachsende Nummern, die jeweils ein... | 149 |
| Informatik im Körper | 153 |
| Neue Lebensräume für neue Computer | 154 |
| Gestatten? Darmbakterium, alias Computer | 157 |
| Abb. 7–1 Genetische Schaltkreise verwirklichen die gleichen logische Schaltungen, mit denen herkömmliche Computer rechnen. Hier das Beispiel »logisches UND«: Das Protein »Hier bin ich« wird nur produziert, wenn die chemischen Signalstoffe A un... | 162 |
| Der Doktor in der Zelle | 164 |
| Abb. 7–2 Ein chemischer Regelkreis, den Mustafa Khammashs Baseler Team für den Einbau in Zellen konzipiert hat. | 166 |
| Programmierte Zellschwärme | 168 |
| Abb. 7–3 Prinzip, nach dem das Team um Ron Weiss eine Bakterienkolonie programmierte, einen Valentinstagsgruß auszubilden. (Aus [2006Amo]). | 170 |
| Abb. 7–4 Die von Ron Weiss’ Mitarbeiter Patrick Fortuna »Leber« genannten Organoide, gewachsen aus umprogrammierten Stammzellen. (Bild: Christian J. Meier) | 170 |
| Schadstoffe verdauen | 171 |
| Verschmelzen von Biologie und Technik | 175 |
| Träumende Maschinen | 177 |
| Künstliche Gehirnzellen | 179 |
| Abb. 8–1 Das Neuron (oben) und die dazu analoge elektrische Schaltung. Diese modelliert die höchst komplexen biochemischen Vorgänge auf stark vereinfachte Weise, vollbringt aber die wesentliche Funktion. Die über die Synapse übertragenen elektr... | 180 |
| Abb. 8–2 Ähnlich wie in alten Vermittlungsstellen werden auf dem Brainscales-Chip Neuronen über Synapsen miteinander verknüpft. | 181 |
| Das Gehirn als Mini-Internet | 182 |
| Wie lernt das Gehirn und wie lässt sich das auf Maschinen übertragen? | 184 |
| Abb. 8–3 Ein sehr einfaches neuronales Netz (Quelle: Dake, Mysid - Wikipedia). | 185 |
| Simulierte Supersinne | 187 |
| Effizient Riechen | 188 |
| Träumende Schaltkreise | 190 |
| Abb. 8–4 Was sehen Sie? Eine Ente oder einen Hasen? Oder beides? In der Regel sehen Menschen beide Tiere, aber nie gleichzeitig. Das Gehirn springt zwischen beiden Interpretationen der Zeichnung hin und her. (Quelle: Jastrow, J. (1899). The mind's ... | 190 |
| Die Vision von der künstlichen Intelligenz im Smartphone | 193 |
| Hürden auf dem Weg zum Gehirn 2.0 | 195 |
| Rechnen mit der Kraft der Atome | 199 |
| Ein gefährlich nützlicher Computer | 202 |
| Überirdisches Tempo | 204 |
| Abb. 9–1 Vergleich der Suchdauern in unstrukturierten Daten zwischen einem normalen Computer und einem Quantenrechner, auf dem Grovers Algorithmus läuft. | 205 |
| Big Data wird zu Small Data | 208 |
| Abb. 9–2 Eine ganze CD in einem Photon. Normalerweise tastet ein Laser beim Ablesen einer CD nacheinander alle Speicherzellen ab (oberer Bildteil). Ein Quanten-CD- Leser würde ein einziges Photon auf die CD schießen (unterer Bildteil). Beim Passi... | 210 |
| Der Werkstoff vom Reißbrett | 211 |
| Ein sicheres Quanteninternet | 214 |
| Zäher Fortschritt | 215 |
| Abb. 9–3 Ionen, wie eine Perlenkette in einer Ionenfalle aufgereiht, bilden einen kleinen Quantencomputer. Dieser dient lediglich Forschungszwecken. Die ganze Kette ist etwa einen Zehntel Millimeter lang. (Quelle: Universität Innsbruck) | 216 |
| Abb. 9–4 Ein Chip mit neun supraleitenden Qubits (die Kreuzchen in der Mitte) aus dem Labor von John Martinis, der mit Google kooperiert. (Quelle: Martinis Group) | 217 |
| Die Natur macht’s vor | 219 |
| Die zweite Stufe | 221 |
| Ein Fazit | 221 |
| Literatur | 227 |
| Personenregister | 235 |
| Index | 239 |
