Вычислительные метаматериалы – новая инкарнация аналоговых компьютеров

Университет Пенсильвании когда-то стал местом рождения цифрового компьютера ENIAC, символизировавшего собой конец эпохи аналоговых вычислений. Теперь, специалисты Penn State, вместе с коллегами из Университетов Техаса и Саннио (Италия), предпринимают попытку возродить аналоговые компьютеры на новом витке их эволюции: в этот раз на основе метаматериалов.

Как утверждается в статье, опубликованной в журнале Science, этот революционный тип материалов пригоден не только для создания «плащей-невидимок», плоских оптических линз и метатронных устройств, манипулирующих потоком фотонов. Определенным образом сконструированные метаматериалы способны производить «фотонные вычисления» по мере того, как волна света проходит через образующие их слои с заранее заданными оптическими свойствами. Световая волна описывается профилем – кривой в декартовых координатах. Гипотетический метаматериал будет позволять выполнять математические операции на этом волновом профиле, такие как нахождение первой и второй производных, а также взятие интегралов и свертку.

Получение производной алгебраической функции, например, цифровые компьютеры выполняют «напролом», сканируя ее график и сравнивая между собой каждой парой соседствующих точек. Длительность выполнения такой задачи, соответственно, растет прямо пропорционально длине графика (количеству точек). Вычислительный метаматериал способен проделывать это практически мгновенно, независимо от длины кривой, для всех точек сразу. Время, затрачиваемое на такое практическое приложение, как детектирование границ в изображении, будет равняться времени прохождения световых волн сквозь метаматериал.

«По сравнению с цифровыми компьютерами, аналоговые были громоздкими, медленными и расходовали много энергии, – отмечается в статье. – Однако, перенося их базовую концепцию на оптические метаматериалы, однажды мы сможем реализовать их на микро- и наноуровнях, работающими почти со скоростью света и с незначительными энергозатратами».

К настоящему времени ученые уже создали компьютерную модель идеального метаматериала для вычисления первой производной и ограничили диапазон конфигураций только теми веществами, производство которых хорошо освоено, такими как кремний или оксид цинка, легированный алюминием. В ближайших планах: создание и тестирование вычислительных метаматериалов в лабораторных условиях. Если эксперименты закончатся успешно, исследователи рассчитывают сконструировать метаматериалы, способные выполнять другие математические функции, и даже решать уравнения.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365