Pennsylvania Üniversitesi'nden bilim insanları, elektrik yerine doğrudan ışık dalgalarını kullanarak karmaşık matematiksel hesaplamalar yapabilen yeni bir optik metasurface geliştirdi.
Çin'deki Southeast University öncülüğündeki bir araştırma ekibi, radyo dalgaları üzerinde matematiksel işlemleri doğrudan dalganın kendisinde yapan programlanabilir bir metayüzey geliştirdi. Sonuçlar Nature Communications dergisinde yayımlandı. Bugünkü sistemlerde gelen elektromanyetik sinyal önce elektrik sinyaline çevriliyor, sayısallaştırılıyor ve ancak ondan sonra işleniyor; ekibin yaklaşımı bu zinciri kısaltıyor.
Metayüzey, üzerinde elektromanyetik dalgayı denetimli biçimde değiştiren küçük yapılar bulunan ince bir yüzey. Ekibin geliştirdiği yüzeyin farkı, elektronik olarak yeniden programlanabilmesi. Çalışmanın sorumlu yazarları elektrik mühendisleri Jun Yan Dai, Qiang Cheng ve Tie Jun Cui, ScienceAlert'e temeli 2018'de kendi gruplarının ortaya koyduğu zaman alanlı sayısal kodlamalı metayüzey kavramının attığını söyledi: "Bu, metayüzeyin elektromanyetik dalgaları denetlemenin ötesine geçip dalgaları bir hesaplama ortamı olarak kullanmasını sağladı."
Yüzey iki işlem yapıyor: Fourier dönüşümü ve konvolüsyon. Fourier dönüşümü bir örüntüyü bileşenlerine ayırıyor; radarda yansıyan sinyaldeki Doppler kaymasını, yani hedefin hızını veriyor. Konvolüsyon ise bilinen bir örüntünün sinyalin neresinde geçtiğini buluyor; gönderilen darbeyle yansıyan darbenin eşleştiği nokta hedefin uzaklığını veriyor. Ekip iki ayrı yüzey üretmek yerine tek yüzeyi kullandı; yüzeye yüklenen zaman kodlama dizisi değiştirilerek işlem değiştiriliyor.
Dai, Cheng ve Cui işleyişi şöyle anlatıyor: "Çarpma ve toplama işlemi, sayısal işlemcinin nokta nokta hesaplaması yerine tek seferde fiziksel olarak gerçekleşiyor." Yüzey hem temiz laboratuvar koşullarında hem de çok yollu yansıma ve karmaşanın bulunduğu açık alanda sınandı. Saniyede 200 metre hızla giden bir hedefin benzetilmiş radar yankısı verildiğinde sistem 500 örnekleme noktasıyla 201 metre, 1.000 örnekleme noktasıyla 199,5 metre sonucunu üretti; ikisi de sistemin çözünürlüğü içinde kaldı. 4 ile 28 kilometre arasındaki benzetilmiş hedeflerde uzaklık hatası 300 metrelik çözünürlüğün dışına çıkmadı.
Bu, geleneksel donanımın gereksizleştiği anlamına gelmiyor. Araştırmacıların notuna göre zaman kodlama dizilerini üretmek ve yüklemek, metayüzeyi sürmek ve eşzamanlamak, çıktıyı almak ve göstermek için elektronik devreler kullanılmaya devam ediyor. Kazanç, radyo frekansı işleme zincirinin sadeleşmesi: yüksek hızlı analog-sayısal çeviriciler ve sayısal işlemcilere bağımlılık azalabiliyor. Sıradaki engel, doğruluk, kararlılık ve enerji verimliliğini bozmadan yüzeyin modülasyon hızını artırmak; daha hızlı modülasyon daha geniş bantlı sinyaller için gerekli ama sinyal kaybını ve donanım karmaşıklığını büyütüyor.
Ekip ilk uygulama alanı olarak radarı görüyor. Bunun ardından 6G haberleşme, uydu sistemleri ve otomotiv radarı gibi radyo frekansı uygulamalarında kullanılabileceğini belirtiyorlar.
Neden önemli?Bu gelişme, mevcut elektronik bilgisayarların hız ve enerji tüketimi limitlerini aşabilecek, geleceğin fotonik bilgisayarları için temel oluşturacak bir potansiyele sahip. Özellikle yapay zeka ve büyük veri işleme gibi alanlarda önemli ilerlemeler vadediyor.
Şu ana kadar bildiklerimiz
- Bilim insanları, ışık dalgalarını kullanarak matematiksel hesaplamalar yapabilen bir optik metasurface geliştirdi.
- Bu yeni yüzey, elektrik sinyalleri yerine ışığı doğrudan işleyerek, verileri nanometre ölçeğinde manipüle ediyor.
- Geliştirilen teknoloji, mevcut bilgisayarların enerji tüketimi ve işlem hızı kısıtlamalarına çözüm sunma potansiyeli taşıyor.
Cevabı beklenen sorular
- Bu teknolojinin üretim maliyetleri ne seviyede olacak ve ticari ölçekte yaygınlaşması ne kadar sürecek?
- Fotonik bilgisayarların mevcut elektronik sistemlerle entegrasyonu nasıl sağlanacak ve bu süreç ne gibi zorluklar içerecek?
