Ученые создали поверхность, которая выполняет вычисления, используя сам свет

Фото из открытых источников

Изобретение радиосвязи в 1890-х годах стало открытием, изменившим мир. Сигнал можно закодировать в электромагнитную радиоволну, отправить в мир, где он будет принят приемником, который преобразует сигнал обратно в понятный формат.

При использовании современных технологий электромагнитный сигнал обычно преобразуется в электрический сигнал и оцифровывается в числа, которые затем могут быть обработаны для извлечения содержащейся в них информации.

Теперь группа исследователей из Юго-восточного университета в Китае показала, что некоторые из этих вычислений можно выполнять непосредственно над радиоволнами, взаимодействующими с программируемой поверхностью. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

«Если провести аналогию с повседневными задачами, это можно рассматривать как перепрограммируемый электромагнитный космический компьютер, обрабатывающий сигналы непосредственно в процессе распространения электромагнитных волн», — рассказали инженеры-электрики Цзюнь Янь Дай, Цян Чэн и Те Цзюнь Цуй, являющиеся ведущими авторами исследования. «Вычисления производятся непосредственно на основе исходящей электромагнитной волны, без необходимости предварительного преобразования всего сигнала в цифровые данные для обработки обычным процессором».

Радиоволны занимают низкочастотную часть электромагнитного спектра — по сути, свет — и обладают рядом свойств, которые делают их особенно полезными для передачи информации.

Они способны преодолевать большие расстояния в атмосфере, дифрагировать вокруг препятствий, проходить сквозь некоторые материалы, а многие из них могут преодолевать погодные условия, препятствующие распространению коротких волн. Мы используем их в самых разных технологиях, от Wi-Fi и радаров до GPS и средств массовой информации.

Но передача радиоволны — это лишь часть работы. Во многих случаях нам также необходимо точно управлять этими волнами, изменяя такие их свойства, как направление, фаза или амплитуда.

Один из все более эффективных способов достижения этой цели — использование метаповерхности — тонкой, специально разработанной поверхности, покрытой крошечными структурами, предназначенными для изменения электромагнитных волн тщательно контролируемым образом.

Метаповерхность, разработанная исследовательской группой, развивает эту идею дальше. Ее свойства можно перепрограммировать электронным способом, что позволяет исследователям изменять способ обработки входящей радиоволны как в пространстве, так и во времени.

«Эта архитектура основана на многолетней разработке метаповерхностей с временным кодированием. В 2018 году наша группа представила концепцию метаповерхностей с цифровым кодированием во временной области, расширив управление метаповерхностью из статической пространственной области во временную», — пояснили исследователи. «Опираясь на этот фундамент, мы установили прямую связь между последовательностями временного кодирования и математическими операциями, такими как преобразование Фурье и свертки. Это позволило метаповерхности выйти за рамки управления электромагнитными волнами и использовать электромагнитные волны в качестве вычислительной среды».

Они выбрали две упомянутые операции — преобразование Фурье и свертку — потому что они представляют собой две наиболее фундаментальные операции в обработке сигналов.

Преобразование Фурье — это операция, которая разлагает паттерн на составляющие его части — представьте себе, как аккорд расщепляется на ноты, или белый луч света — на радугу. Это самое простое объяснение, но математические вычисления здесь гораздо сложнее.

С другой стороны, свертки можно использовать для определения мест, где в сигнале встречается известная закономерность. Например, в радаре определение мест совпадения отраженного импульса с переданным может помочь определить расстояние до объекта.

Обе операции имеют практическое применение в радиолокации. Преобразование Фурье позволяет выявить доплеровский сдвиг в отраженном сигнале — насколько сильно растянута или сжата длина волны — и определить скорость движения объекта. Свертка, как уже упоминалось, позволяет определить расстояние.

Однако исследователи не создали две отдельные метаповерхности. Вместо этого они сделали одну, которая может переключаться между двумя задачами, изменяя последовательность временного кодирования, используемую для программирования поверхности.

«Мы программируем метаповерхность последовательностью временного кодирования, которая представляет собой необходимое вычислительное ядро. Когда радиочастотный сигнал достигает метаповерхности, он напрямую модулируется этим изменяющимся во времени откликом», — заявили исследователи. «Полученные волновые компоненты затем когерентно объединяются, создавая результаты преобразования Фурье или свертки в исходящей электромагнитной волне. В этом смысле основной процесс умножения и суммирования выполняется физически за один раз, а не вычисляется по точкам цифровым процессором».

По сути, поверхность запрограммирована на изменяющийся узор, соответствующий желаемой математической операции. Входящая радиоволна попадает на неё и преобразуется метаповерхностью тщательно контролируемым образом. Различные компоненты результирующей волны объединяются для выполнения вычислений.

Исследователи протестировали метаповерхность в различных условиях — как в чистой лаборатории, так и на открытом воздухе в условиях реалистичного многолучевого распространения и помех — и обнаружили, что она способна точно выполнять обе операции в режиме реального времени.

Например, в систему был подан смоделированный радиолокационный эхо-сигнал от цели, движущейся со скоростью 200 метров в секунду. Система выдала значение скорости 201 метр в секунду при 500 точках дискретизации и 199,5 метра в секунду при 1000 точках дискретизации — оба значения находятся в пределах разрешения системы.

Они также проверили его способность измерять расстояние с помощью смоделированных целей на расстоянии от 4 до 28 километров (от 2,5 до 17,5 миль). Погрешности оставались в пределах разрешения системы в 300 метров.

И всё это можно было бы сделать, переключив метаповерхность с преобразования Фурье на свертку без модификации оборудования.

Это не означает, что традиционное оборудование больше не требуется; как отметили исследователи: «Традиционная электроника по-прежнему используется для генерации и загрузки последовательностей временного кодирования, управления и синхронизации метаповерхности, а также для приема и отображения выходных данных».

Однако это может привести к упрощению цепочки обработки радиочастотных сигналов, что позволит снизить зависимость от таких компонентов, как высокоскоростные аналого-цифровые преобразователи и цифровые процессоры.

Следующей задачей станет увеличение скорости модуляции метаповерхности при сохранении точности, стабильности и энергоэффективности. Более быстрая модуляция необходима для обработки широкополосных сигналов, но она может привести к большим потерям сигнала и усложнению аппаратной части.

Когда они туда доберутся, очевидным первым применением станет радар. Однако, в дальнейшем, возможно, система будет внедрена в широкий спектр радиоприложений, включая связь 6G, спутниковые системы и автомобильные радары.

«В конечном итоге, — заявили Дай, Ченг и Цуй — мы видим перед собой единую аппаратную платформу, которая сможет гибко переключаться между различными вычислительными задачами, просто изменяя последовательность временного кодирования».