Pennsylvanian yliopiston insinöörit ovat suunnitelleet metamateriaalilaitteen, joka pystyy ratkaisemaan yhtälöitä. Kehitetty "fotoninen laskenta" toimii koodaamalla parametreja saapuvan sähkömagneettisen aallon ominaisuuksiin ja siirtämällä ne metamateriaalilaitteen läpi. Laitteen sisällä ainutlaatuinen rakenne manipuloi aaltoa siten, että se tulostaa ennalta asetettuun integraaliseen yhtälöön koodatun ratkaisun kyseiselle tulolle.
Tutkijoiden konseptin kokeilu tehtiin mikroaalloilla, koska niiden pitkät aallonpituudet sallivat helpommin konstruoitavan makrotason laitteen. Havaintojen taustalla olevat periaatteet voidaan kuitenkin skaalata valoaalloiksi, joten periaate sopii lopulta mikrosiruille.
Tällaiset metamateriaalilaitteet toimivat analogisina tietokoneina, jotka toimivat valolla eikä sähköllä. Ne voisivat ratkaista integraaliyhtälöitä - kaikkialla esiintyviä ongelmia kaikilla tieteen ja tekniikan toimialoilla - suuruusluokkaa nopeammin kuin digitaaliset kollegansa. Lisäksi metamateriaalitietokone käyttäisi samalla vähemmän virtaa.
Tämän lähestymistavan juuret ovat analogisessa laskennassa. Ensimmäiset analogiset laskimet ratkaisivat matemaattisia ongelmat käyttäen mekaanisia vipuja ja hammaspyöriä. Elektroniset analogiset tietokoneet korvasivat ne 1900-luvun puolivälissä. Uudelleenkonfiguroitavien, ohjelmoitavien digitaalisten tietokoneiden tulo, joka alkoi vuonna 1945 Pennissä rakennetusta ENIACista, teki niistäkin sitten vanhentuneita.
Nader Engheta ja hänen tiiminsä julkaisivat teoreettisen hahmotelman "fotonisesta laskennasta" vuonna 2014, ja nyt Enghetan tiimi on ajanut fyysisiä kokeita, jotka vahvistavat teorian ja pystyvät ratkaisemaan yhtälöitä.
- Laitteemme sisältää dielektrisen materiaalin lohkon, jolla on hyvin spesifinen ilma-aukkojen jakauma, Engheta sanoo.
Sähkömagneettisten aaltojen vuorovaikutusten hallitseminen tällä metastruktuurilla on avain yhtälön ratkaisemiseen. Kun järjestelmä on asennettu oikein, se mitä saat ulos, on ratkaisu integraaliyhtälöön.
Laitteen onttojen alueiden kuvio määritetään ennalta ratkaisemaan integraalinen yhtälö tietyn tapauskohtaisen "kernelin" avulla. Se on yhtälön osa, joka kuvaa kahden muuttujan välistä suhdetta. Esiasetettu yhtälö voidaan ratkaista mihin tahansa mielivaltaiseen tuloon, joita edustaa laitteeseen syötettyjen aaltojen vaiheet ja suuruudet.
- Vaikka tämä on konseptivaiheessa, laite on erittäin nopea elektroniikkaan verrattuna. Mikroaaltoanalyysimme on osoittanut, että ratkaisu voidaan saada sadoissa nanosekunneissa, ja kun siirrämme sen optiikkaan, nopeus olisi pikosekunteja, Engheta sanoo.
Käsitteen skaalautuminen mittakaavaan, jossa se voisi toimia valoaalloilla ja joka sijoitettaisiin mikrosirulle, tekisi ne vain käytännöllisemmiksi laskennassa.
Veijo Hänninen
26.3.2019
Erittäin hyvällä hyötysuhteella lämpöenergiaa tuottava tai poistava ilmalämpöpumppu yleistyy edelleen kaikkialla maailmassa. Toshiba on kehittänyt suunnittelijoiden avuksi pitkälle integroidun referenssimallin, jonka pohjalta on helppo rakentaa hyvin energiatehokas lämpöpumppu optimoiduin kustannuksin.
