Revoluce v signálech: Vědci vyvinuli povrch, který provádí výpočty přímo pomocí rádiových vln

Vědci z čínské Southeast University představili průlomovou technologii: programovatelný povrch, který dokáže provádět výpočty přímo pomocí rádiových vln.

Vědci z čínské Southeast University představili průlomovou technologii: programovatelný povrch, který dokáže provádět výpočty přímo pomocí rádiových vln. Tento objev by mohl zásadně změnit způsob, jakým zpracováváme elektromagnetické signály, a otevřít cestu k efektivnějším komunikačním a radarovým systémům.

Tradičně se elektromagnetické signály, jako jsou rádiové vlny, nejprve převádějí na elektrické signály a digitalizují, aby je mohl zpracovat konvenční procesor. Nový přístup umožňuje provádět některé z těchto výpočtů přímo na rádiových vlnách, když interagují s programovatelným metapovrchem. „V každodenní analogii si to lze představit jako přeprogramovatelný elektromagnetický prostorový počítač, který zpracovává signály přímo při šíření elektromagnetických vln,“ vysvětlili autoři studie Jun Yan Dai, Qiang Cheng a Tie Jun Cui. Výsledky výpočtů jsou pak přímo přenášeny odchozí elektromagnetickou vlnou, aniž by bylo nutné celý signál nejprve převádět na digitální data.

Rádiové vlny, které jsou součástí elektromagnetického spektra, jsou klíčové pro přenos informací díky své schopnosti cestovat na dlouhé vzdálenosti, ohýbat se kolem překážek a procházet některými materiály a nepříznivým počasím. Pro mnoho aplikací je však nutné tyto vlny přesně manipulovat – měnit jejich směr, fázi nebo amplitudu. K tomu se často používají metapovrchy, tenké, speciálně navržené plochy s miniaturními strukturami, které řízeně mění elektromagnetické vlny.

Tým výzkumníků posunul tuto myšlenku dál. Jejich metapovrch lze elektronicky přeprogramovat, což umožňuje měnit způsob manipulace s příchozí rádiovou vlnou v prostoru i čase. Vědci navázali na svůj předchozí vývoj časově kódovaných metapovrchů z roku 2018 a vytvořili přímý vztah mezi časově kódovanými sekvencemi a matematickými operacemi, jako jsou Fourierovy transformace a konvoluce. Tím se metapovrch posunul od pouhé kontroly elektromagnetických vln k jejich využití jako výpočetního média.

Pro demonstraci zvolili Fourierovy transformace a konvoluce, které jsou základními operacemi v zpracování signálů. Fourierova transformace rozkládá vzor na jeho složky (například akord na jednotlivé tóny), zatímco konvoluce dokáže najít výskyt známého vzoru v signálu (například v radaru pro určení vzdálenosti objektu). Obě operace mají praktické využití v radaru: Fourierovy transformace mohou odhalit Dopplerův posun pro určení rychlosti objektu, zatímco konvoluce měří vzdálenost.

Vědci postavili jeden metapovrch, který dokáže střídat mezi těmito dvěma úkoly pouhou změnou časově kódované sekvence. Povrch je naprogramován měnícím se vzorem, který odpovídá požadované matematické operaci. Příchozí rádiová vlna je metapovrchem přetvořena a různé složky výsledné vlny se koherentně kombinují, aby provedly výpočty. Systém byl úspěšně testován v laboratorních i venkovních podmínkách, kde přesně prováděl obě operace v reálném čase. Například při simulaci radarové ozvěny z cíle pohybujícího se rychlostí 200 metrů za sekundu systém vrátil rychlost 201 m/s (s 500 vzorkovacími body) a 199,5 m/s (s 1000 vzorkovacími body), což je v rámci rozlišení systému.