Metamateriale løser integrerede ligninger

Forskere udvikler den første rent fotoniske "lommeregner"

Denne underligt perforerede plastplade er en "fotonisk regnemaskine" - den kan løse integrerede ligninger. © Eric Sucar
læst op

Bølgeleder som en analog computermaskine: Amerikanske forskere har designet en plastikblok, der kan tælle - den løser lynhurtige integrerede ligninger. Denne computer kræver dog ikke elektronik, men bruger kun lys som computermedium. Metamaterialets specielle struktur manipulerer denne stråling i henhold til visse ligninger. Det spændende er, at en sådan "fotonisk regnemaskine" er meget hurtigere end nogen almindelig computer, som forskerne rapporterer i tidsskriftet "Science".

Metamaterialer er strukturer, der kan bryde og manipulere stråling på en usædvanlig måde. For eksempel kan du bremse, stoppe lyset eller gøre din fasehastighed uendelig. Det spændende er, at disse egenskaber gør metamaterialer lovende udgangsmaterialer til nye linser, stealth caps eller endda miniature ormehuller. Men også i optisk databehandling kunne metamaterialer bruges i fremtiden.

Det komplicerede mønster af luftkamrene i plastikblokken svarer til operatørerne af ligningen, der skal løses. Virkningen af ​​denne komplekse bølgeleder på strålingen giver løsningen. Eric Sucar

En lommeregner lavet af plast og lys

Nasim Estakhri og hans team fra University of Pennsylvania i Philadelphia introducerer imidlertid en helt ny, usædvanlig anvendelse af et metamateriale. Fordi de har udviklet et metamateriale, der kan tælle det løser lineære integrerede ligninger. Ligningen, der skal løses, får denne fotoniske regnemaskine i form af elektromagnetiske bølger med visse egenskaber i det aktuelle eksperiment er dette monokromatiske mikrobølger.

Den egentlige lommeregner består af en plastpolystyrenplade: "Vores enhed indeholder en blok dielektrisk materiale, der indeholder en meget speciel fordeling af luftkamre, " forklarer Estakhri. Disse luftkamre er arrangeret således, at de styrer strålingen i henhold til bestemte beregningsregler. I dette tilfælde ifølge Fredholms integrerede ligning af anden art, som forskerne forklarer. Denne ligning bruges ofte til at beskrive fysiske forhold.

Bølgelederstruktur som operatør

Når stråling passerer gennem denne fotoniske regnemaskine, ændrer metamaterialets indre struktur egenskaberne og strålingsbanen på en bestemt måde. "Hvad der kommer ud af dette system er så løsningen på den integrerede ligning, " forklarer Estakhri. Parametrene for den resulterende stråling kan derefter bruges for eksempel til at aflæse det første eller andet derivat af den indledende ligning. udstilling

Forskerne sammenligner princippet om denne fotoniske computer med de første analoge computere: disse brugte linealer, gearhjul og andre faste bevægelige dele som aritmetiske operatører. Computerne, der blev brugt til at dekryptere de hemmelige koder fra Enigma, anvendte også drejelige trommer til aritmetik. Først med udviklingen af ​​den første elektriske computer blev dette princip erstattet af transistorer og andre elektroniske komponenter.

Beregning inden for picosekunder

Den store fordel ved beregningsmetoden: Det er flere størrelsesordener hurtigere end elektroniske regnemaskiner og kræver lidt energi. "Med mikrobølger får vi løsningen på et par hundrede nanosekunder, " rapporterer medforfatter Nadre Engheta. ”Hvis vi skifter system til synligt lys, kan beregningstiden falde til picosekunder.” På grund af den kortere bølgelængde ville computeren være meget mindre, hvilket også reducerer strålebanen.

Sådanne metamateriale regnemaskiner ville være praktisk anvendelige, uanset hvor beregninger med faste ligninger er nødvendige og praktisk talt kun de numeriske værdier ændres. Skaleret til størrelsen på en chip ville de muliggøre ultra-hurtig analog computing, sagde forskerne. I processen kunne disse fotoniske regnemaskiner endda blive konfigurerbare: "Man kunne bruge teknologien bag de omskrivbare cd'er til at skabe nye bølgeledermønstre i materialet, " siger Engheta. "Så en dag kunne alle have deres egen omformerbare analoge computer derhjemme." (Science, 2019; doi: 10.1126 / science.aaw2498)

Kilde: University of Pennsylvania

- Nadja Podbregar