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 для того, чтобы проводить прямое и обратное преобразования, необходимы особые подсистемы, которые не нужны в новом компьютере. Такие свойства оказались возможны благодаря тому, что у метаматериалов 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, это смогут использовать в медицине и нейробиологии.