Теперь на родине цифрового компьютера, ENIAC, эта технология используется для возрождения аналоговых вычислений. Исследование, проведенное учеными из Пенсильванского университета, Техасского университета в Остине и Университета Саннио в Италии, показывает, что метаматериалы могут быть сконструированы так, чтобы проводить «фотонные вычисления», когда через них проходит световая волна.Световая волна, описанная в терминах пространства и времени, имеет профиль в пространстве, который можно представить как кривую на декартовой плоскости. Теоретический материал исследователей может выполнять определенную математическую операцию с профилем этой волны, например находить ее первую или вторую производную, когда световая волна проходит через материал.
По сути, излучение световой волны на одну сторону такого материала приведет к выходу производной этого волнового профиля с другой стороны. Также могут быть произведены метаматериалы, способные выполнять другие вычислительные операции, такие как интегрирование и свертка.
Просмотр и управление этим типом «профиля» световой волны является повседневным явлением для таких приложений, как обработка изображений, хотя обычно это делается после того, как световая волна была преобразована в электронные сигналы в форме цифровой информации. Предложенные исследователями вычислительные метаматериалы могли почти мгновенно выполнять такие операции с исходной волной, такие как свет, проходящий через линзу камеры, без преобразования в электронные сигналы.Исследование возглавили Надер Энгета, профессор Х. Недвилла Рэмси в области электротехники и системной инженерии Школы инженерии и прикладных наук Пенсильвании, и Александр Сильва, научный сотрудник исследовательской группы Энгеты.
Они сотрудничали с Франческо Монтиконе и Андреа Алу из Техасского университета в Остине, а также с Джузеппе Кастальди и Винченцо Гальди из Университета Саннио в Италии.
Он был опубликован в журнале Science.Теория исследователей уходит корнями в аналоговые вычисления. Предшественниками современных компьютеров были механические калькуляторы, в которых для представления, хранения и обработки числовой информации использовались физические элементы, от линейки скольжения до сложных массивов шестерен и приводных валов.
В наиболее сложных примерах пользователь может установить начальные значения, которые будут вычисляться на колесе или циферблате, а затем повернуть ручку определенное количество раз. Промежуточные наборы шестерен пошагово преобразовывали начальные значения, пока не были получены результаты.
В середине 20-го века электронные аналоговые компьютеры заменили механические, с сериями резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности и усилителей вместо шестерен и приводных валов. Начальные значения были представлены электрическим напряжением и током, а результаты можно было считать по изменениям напряжения и тока после прохождения через эти специальные цепи.И механические, и электронные аналоговые компьютеры особенно подходили для расчета больших таблиц информации.
Там, где метод бумаги и карандаша потребовал бы утомительных и повторяющихся шагов, выполняемых над каждым из элементов таблицы, причем каждый шаг был подвержен человеческой ошибке, аналоговые компьютеры могли бы выполнять эти шаги параллельно, выдавая все результаты сразу.Появление первого универсального цифрового компьютера — ENIAC Пенна — было революционным; абстрагирование входных данных позволило цифровым компьютерам быть многоцелевыми. Их можно перепрограммировать для выполнения нескольких типов вычислений, в отличие от своих специализированных аналоговых предшественников. Хотя аналоговые компьютеры по-прежнему имели преимущество, заключающееся в том, что им не приходилось переводить, квантовать и оцифровывать информацию, которую они вычисляли, их механическая и электронная структура не могла конкурировать с достижениями в области интегральных электронных схем, которые позволили цифровым компьютерам быстро сократить свои следы и повысить скорость. .Однако, заменив их механические механизмы и электрические схемы на оптические материалы, которые работают на световых волнах, может снова настало время для аналоговых компьютеров сиять, но на этот раз в микро- и наноразмерных масштабах.
«По сравнению с цифровыми компьютерами эти аналоговые компьютеры были громоздкими, энергоемкими и медленными», — сказал Энгета. «Но, применяя лежащие в их основе концепции к оптическим метаматериалам, однажды мы сможем изготавливать их в микро- и наноразмерных размерах и управлять ими почти со скоростью света, используя небольшую мощность».«Толщина наших структур может быть сопоставима с длиной оптической волны или даже меньше», — сказал Винченцо Гальди из Университета Саннио. «Выполнение аналогичных операций с обычными оптическими системами, такими как линзы и фильтры, потребует гораздо более толстых структур».Метаматериалы — это композиты из природных материалов, но они спроектированы таким образом, что манипулируют электромагнитными волнами способами, которые больше, чем просто сумма их частей. Объекты, сделанные из натуральных материалов, имеют атомы и молекулы, которые расположены в определенном порядке, продиктованном законами физики и химии.
Эти узоры придают природным материалам их электромагнитные свойства, которые, в свою очередь, определяют их влияние на свойства волн. Переходя на другой уровень организации — создавая узоры из нескольких материалов с масштабами меньшими, чем волны, проходящие через них, как серия наноскопических золотых кубов, встроенных в стекло — разработчики метаматериалов могут изменять волны способами, недоступными для простых поверхностей или линзы.Например, ручка, торчащая из стакана с водой, выглядит изогнутой, потому что поверхность воды преломляет или «искривляет» свет; свет, идущий от пера к зрителю снизу ватерлинии, имеет другой угол преломления, чем свет, идущий сверху. Однако, в отличие от природных материалов, метаматериалы могут иметь отрицательные углы преломления.
Если вода в стакане демонстрирует отрицательное преломление, изображение ручки под ватерлинией будет не просто изогнутым, а перевернутым, как если бы оно выглядело в зеркале.Множество таких манипуляций можно комбинировать или выполнять последовательно, что позволяет исследователям метаматериалов сложным образом изменять форму волн.Для начала исследователи создали компьютерную симуляцию идеального метаматериала, который мог бы идеально изменить форму профиля приходящей волны на форму его производной. Руководствуясь идеальным метаматериалом, исследователи ограничили свое моделирование конкретными материалами, подходящими для существующих технологий производства, такими как кремний и оксид цинка, легированный алюминием.
«Результаты моделирования этих двух моделей были почти идентичны, поэтому мы надеемся, что в будущем сможем проводить фотонные вычисления в физическом эксперименте», — сказал Энгета.После создания эти метаматериалы можно использовать для выполнения конкретных вычислительных задач, которые лучше всего подходят для аналогового подхода. Например, получение производной от алгебраической функции — это задача, которую цифровые компьютеры должны выполнять с помощью грубой силы, по сути сканируя кривую и оценивая разницу между каждой парой соседних точек. Несмотря на то, что современные цифровые компьютеры могут сканировать двухмерный профиль очень быстро, время выполнения задачи увеличивается вместе с размером профиля.
Вычислительный метаматериал, предназначенный для вычисления производных с помощью световых волн, напротив, мог бы выполнить задачу почти мгновенно, независимо от размера профиля, поскольку он работал бы во всех точках одновременно.Одно подходящее аналоговое приложение, которое может напрямую использовать такие вычислительные метаматериалы, — это обнаружение краев, все более распространенный метод обработки изображений, который помогает программному обеспечению находить лица и идентифицировать объекты на изображениях.
«Когда мы обнаруживаем края изображения, используя доступные в настоящее время методы обработки изображений, мы делаем это в цифровом виде, пиксель за пикселем», — сказал Энгета. «Мы сканируем изображение и сравниваем все соседние пиксели, и там, где между двумя есть большая разница, мы маркируем его как край. Надеюсь, что с помощью этого вычислительного метаматериала в будущем мы сможем сделать все сразу. свет от самого изображения может проникнуть внутрь, а профиль с обнаружением краев может выйти с другой стороны ".«Благодаря недавним достижениям в области нанотехнологий», — сказали Андреа Алу, доцент и Дэвид.
Дорис Либаргер, научный сотрудник Техасского университета в Остине, «сегодня мы можем контролировать распространение света через материал беспрецедентными способами и реализовать функции материала, которые были бы немыслимы всего несколько лет назад. В этой статье мы устанавливаем стадия, позволяющая метаматериалам реализовывать для нас широкий набор математических операций "на лету", когда свет распространяется через них ".
Будущие исследования повлекут за собой создание и тестирование этих вычислительных метаматериалов в лабораторных условиях. В случае успеха исследователи составят планы метаматериалов, которые могут выполнять другие математические операции или даже решать уравнения.
Кодируя входную волну математической функцией, а затем подавая исходящую волну обратно на вход, промежуточный метаматериал в конечном итоге генерирует волну, которая обнаруживает желаемые переменные внутри этой функции.