دانشمندان سطحی نوین خلق کردند که با نور خود محاسبات انجام می‌دهد

دانشمندان موفق به طراحی سطحی شده‌اند که قادر است با استفاده از نور، محاسباتی را انجام دهد. اختراع ارتباطات رادیویی در دهه ۱۸۹۰ یکی از نوآوری‌هایی بود که تحولی در جهان ایجاد کرد. این فناوری امکان رمزگذاری یک سیگنال درون یک موج الکترومغناطیسی رادیویی را فراهم می‌کند تا آن را در فضا ارسال کرده و سپس توسط گیرنده دریافت و ترجمه شود.

به گزارش انتخاب و به نقل از sciencealert؛ در فناوری‌های کنونی، سیگنال الکترومغناطیسی معمولاً ابتدا به سیگنال الکتریکی تبدیل و سپس به داده‌های دیجیتال تبدیل می‌شود تا اطلاعات موجود در آن پردازش گردد. اما اکنون گروهی از محققان به رهبری دانشگاه جنوب‌شرقی چین نشان داده‌اند که می‌توان برخی از این محاسبات را به‌طور مستقیم بر روی امواج رادیویی و در زمان برخورد آنها با یک سطح قابل‌برنامه‌ریزی انجام داد.

جون یان دای، چیانگ چنگ و تی جون کوی، مهندسان برق و نویسندگان اصلی این پژوهش، بیان کردند: «برای توضیح این فناوری به زبان ساده، می‌توان آن را به‌عنوان نوعی رایانه الکترومغناطیسی قابل‌برنامه‌ریزی مجدد در نظر گرفت که سیگنال‌ها را به‌طور مستقیم در مسیر انتشار موج الکترومغناطیسی پردازش می‌کند.» آنها افزودند: «نتیجه محاسبات به‌طور مستقیم توسط موج الکترومغناطیسی خروجی منتقل می‌شود و دیگر نیازی به تبدیل کل سیگنال به داده‌های دیجیتال و پردازش آن توسط یک پردازنده معمولی نیست.»

امواج رادیویی در بخش فرکانس پایین طیف الکترومغناطیسی قرار دارند و در واقع نوعی نور محسوب می‌شوند که ویژگی‌هایی دارند که آنها را برای انتقال اطلاعات بسیار مناسب می‌کند. این امواج می‌توانند مسافت‌های طولانی را در جو طی کنند، از موانع عبور کنند و حتی در شرایط آب‌وهوایی نامساعد به مسیر خود ادامه دهند؛ شرایطی که ممکن است با طول موج‌های کوتاه‌تر تداخل ایجاد کند. امروزه از امواج رادیویی در فناوری‌های مختلفی مانند وای‌فای، رادار، GPS و پخش برنامه‌های رادیویی و تلویزیونی استفاده می‌شود.

اما ارسال یک موج رادیویی تنها بخشی از ماجراست. در بسیاری از کاربردها لازم است این امواج را با دقت زیادی دستکاری کنیم؛ به‌عنوان مثال، جهت حرکت، فاز یا دامنه آنها را تغییر دهیم. یکی از روش‌های پیشرفته برای انجام این کار استفاده از متاسرفیس یا فراماده‌سطح است؛ سطحی بسیار نازک که با ساختارهای میکروسکوپی مهندسی‌شده پوشانده شده و می‌تواند امواج الکترومغناطیسی را به‌صورت کنترل‌شده تغییر دهد.

متاسرفیسی که این گروه پژوهشی ساخته، یک گام فراتر می‌رود. ویژگی‌های این سطح را می‌توان به‌صورت الکترونیکی دوباره برنامه‌ریزی کرد. به این ترتیب، پژوهشگران می‌توانند نحوه تأثیرگذاری سطح بر یک موج رادیویی ورودی را هم در فضا و هم در طول زمان تغییر دهند. پژوهشگران توضیح دادند که این فناوری بر پایه سال‌ها تحقیق درباره متاسرفیس‌های دارای «کدگذاری زمانی» ساخته شده است. گروه آنها در سال ۲۰۱۸ مفهوم متاسرفیس‌های دیجیتال با کدگذاری زمانی را معرفی کرده بود؛ فناوری‌ای که امکان کنترل متاسرفیس را از یک سطح ثابت در فضا به حوزه زمان نیز گسترش می‌داد.

آنها سپس رابطه مستقیمی میان الگوهای کدگذاری زمانی و برخی عملیات ریاضی مانند تبدیل فوریه و کانولوشن ایجاد کردند. به این ترتیب، متاسرفیس دیگر تنها ابزاری برای کنترل امواج الکترومغناطیسی نبود، بلکه می‌توانست از خود امواج الکترومغناطیسی به‌عنوان وسیله‌ای برای انجام محاسبات استفاده کند.

پژوهشگران دو عملیات «تبدیل فوریه» و «کانولوشن» را انتخاب کردند، زیرا هر دو از عملیات‌های بنیادی در پردازش سیگنال هستند. تبدیل فوریه را می‌توان به زبان ساده روشی برای تجزیه یک الگو به اجزای تشکیل‌دهنده آن دانست. به‌عنوان مثال، تصور کنید یک آکورد موسیقی را به نت‌های تشکیل‌دهنده آن جدا کنیم؛ یا نور سفید را به رنگ‌های مختلف طیف رنگین‌کمان تجزیه کنیم. تبدیل فوریه نیز به‌طور مشابه، اطلاعات موجود در یک سیگنال را به اجزای فرکانسی آن تفکیک می‌کند. کانولوشن نیز می‌تواند برای پیدا کردن یک الگوی شناخته‌شده درون یک سیگنال مورد استفاده قرار گیرد.

برای مثال، در رادار می‌توان بررسی کرد که یک پالس بازتاب‌شده تا چه اندازه با پالس ارسال‌شده مطابقت دارد. از این طریق می‌توان فاصله یک جسم را تخمین زد. هر دو عملیات کاربردهای مهمی در رادار دارند. تبدیل فوریه می‌تواند تغییر داپلر در سیگنال بازتاب‌شده را آشکار کند؛ یعنی مشخص کند طول موج سیگنال بر اثر حرکت جسم چقدر کشیده یا فشرده شده است و در نتیجه، سرعت حرکت جسم را مشخص کند. کانولوشن نیز، همان‌طور که گفته شد، می‌تواند برای تعیین فاصله جسم به کار رود.

پژوهشگران برای انجام این دو کار، دو متاسرفیس جداگانه نساختند. آنها یک سطح ساختند که می‌تواند با تغییر الگوی کدگذاری زمانی خود، بین تبدیل فوریه و کانولوشن جابه‌جا شود. پژوهشگران توضیح دادند: «ما متاسرفیس را با یک الگوی کدگذاری زمانی برنامه‌ریزی می‌کنیم که نشان‌دهنده عملیات محاسباتی موردنظر است. وقتی سیگنال فرکانس رادیویی به متاسرفیس می‌رسد، این سطح سیگنال را مستقیماً و بر اساس پاسخ متغیر خود در طول زمان تغییر می‌دهد.»

در ادامه، اجزای مختلف موج ایجادشده به‌صورت هماهنگ با یکدیگر ترکیب می‌شوند و نتیجه تبدیل فوریه یا کانولوشن را در موج الکترومغناطیسی خروجی ایجاد می‌کنند. به بیان ساده، بخش اصلی محاسبه که شامل ضرب و جمع است، به‌جای اینکه نقطه‌به‌نقطه توسط یک پردازنده دیجیتال انجام شود، به‌صورت فیزیکی و هم‌زمان در خود موج انجام می‌شود.

پژوهشگران این متاسرفیس را در شرایط مختلف آزمایش کردند؛ هم در یک آزمایشگاه کنترل‌شده و هم در فضای بیرونی، جایی که شرایط واقعی‌تر و پیچیده‌تری مانند بازتاب‌های متعدد امواج و وجود موانع و نویز محیطی وجود داشت. نتایج نشان داد که این سیستم می‌تواند هر دو نوع عملیات را در زمان واقعی و با دقت بالا انجام دهد. برای مثال، پژوهشگران یک بازتاب راداری شبیه‌سازی‌شده از هدفی را وارد سیستم کردند که با سرعت ۲۰۰ متر بر ثانیه حرکت می‌کرد. سیستم با استفاده از ۵۰۰ نقطه نمونه‌برداری، سرعت را ۲۰۱ متر بر ثانیه و با استفاده از ۱۰۰۰ نقطه نمونه‌برداری، ۱۹۹٫۵ متر بر ثانیه محاسبه کرد؛ هر دو نتیجه در محدوده تفکیک‌پذیری سیستم قرار داشتند.

آنها همچنین توانایی سیستم برای اندازه‌گیری فاصله را با اهدافی در فاصله ۴ تا ۲۸ کیلومتری آزمایش کردند. خطای اندازه‌گیری نیز در محدوده تفکیک‌پذیری ۳۰۰ متری سیستم باقی ماند. نکته مهم این بود که تمام این کارها بدون تغییر سخت‌افزار و تنها با تغییر برنامه متاسرفیس از تبدیل فوریه به کانولوشن امکان‌پذیر بود.

پژوهشگران تأکید کردند که تجهیزات الکترونیکی معمولی همچنان برای تولید و بارگذاری الگوهای کدگذاری زمانی، راه‌اندازی و هماهنگ‌سازی متاسرفیس و همچنین دریافت و نمایش خروجی مورد نیاز هستند. با این حال، این فناوری می‌تواند مسیر پردازش سیگنال‌های فرکانس رادیویی را ساده‌تر کند و نیاز به برخی قطعات مانند مبدل‌های پرسرعت آنالوگ به دیجیتال و پردازنده‌های دیجیتال را کاهش دهد.

چالش بعدی پژوهشگران، افزایش سرعت تغییر و مدولاسیون متاسرفیس است؛ آن هم بدون اینکه دقت، پایداری و بهره‌وری انرژی آن کاهش پیدا کند. برای پردازش سیگنال‌هایی با پهنای باند بیشتر، سرعت بالاتری لازم است؛ اما افزایش سرعت می‌تواند باعث اتلاف بیشتر سیگنال و پیچیده‌تر شدن سخت‌افزار شود. اگر پژوهشگران بتوانند بر این چالش غلبه کنند، نخستین کاربرد آشکار این فناوری احتمالاً رادار خواهد بود. پس از آن، می‌توان از چنین سیستمی در طیف گسترده‌تری از فناوری‌های رادیویی، از جمله ارتباطات 6G، سامانه‌های ماهواره‌ای و رادار خودروها استفاده کرد.

پژوهشگران در نهایت می‌گویند چشم‌انداز آنها ساخت یک پلتفرم سخت‌افزاری واحد است که بتواند تنها با تغییر الگوی کدگذاری زمانی، به‌سرعت بین عملیات محاسباتی مختلف جابه‌جا شود. یافته‌های این پژوهش در نشریه Nature Communications منتشر شده است.