Физики предложили создать звуковой компьютер

Ученые представили идею компактного аналогово вычислителя, в основе которого лежат метаматериалы, управляющие распространением звуковых волн. Авторы показали, что такое устройство может быстро проводить операции дифференцирования, интегрирования и обработки изображений. Исследование опубликовано на сервере препринтов arXiv.org.

Аналоговые компьютеры — это вычислители, которые для специфических расчетов используют естественные природные процессы, такие как распространение света, протекание электрического тока или рост колонии микроорганизмов. Одни из самых сложных подобных устройств были разработаны в середине XX века для задач, связанных с построением траекторий снарядов. Позднее в большинстве отраслей их заменили цифровые компьютеры, которые оперируют дискретными числовыми или символьными переменными, а не непрерывными потоками данных, как аналоговые.

Последнее время исследователи все больше интересуются аналоговыми компьютерами в связи с развитием метаматериалов — в частности, уже были созданы аналоговые компьютеры, работающие на основе распространения электромагнитных волн. «Метаматериалы — это искусственные структуры, которые состоят из элементов размером меньше длины волны, — поясняет соавтор Фарзад Занганех-Нежад из швейцарской Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL). — Их можно очень точно выстроить, что позволяет получить желаемые макроскопические свойства всего материала в целом».

«Обычно, когда звук достигает твердой стены, он отражается без преобразования, изменяя только направление движения, — говорит второй автор Ромен Флери из EPFL. — Наш метаматериал позволяет производить сложные преобразования над звуковой волной непосредственно в процессе отражения без всяких задержек. Это происходит мгновенно без преобразования [звука] в электрический сигнал».

Новый вычислитель работает в пространственной области, в то время как предложенные ранее аналоговые образцы работали в частотной, то есть оперировали с результатом преобразования Фурье от исходного сигнала. Для того, чтобы проводить прямое и обратное преобразования, необходимы особые подсистемы, которые не нужны в новом компьютере. Такие свойства оказались возможны благодаря тому, что при помощи метаматериалов можно реализовать большой показатель преломления для звуковых волн.

Авторы теоретически показали, что на новом устройстве можно проводить некоторые типы вычислений, а также обосновали множество примеров его потенциального применения. В частности, каскад из таких компьютеров может решать дифференциальные уравнения второго порядка, например, уравнение Шредингера. Также с их помощью можно создавать миниатюрные сенсоры, реализовывать нейросети и непрерывные преобразования сигналов. Физики считают, что их изобретение может пригодиться при моделировании динамики сложных биологических систем, что окажется полезным для исследований в медицине и нейробиологии.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.