Vuelve la computación analógica, a base de metamateriales

Ingenieros de la Universidad de Pensilvania han diseñado un dispositivo metamaterial que puede funcionar como una computadora analógica, validando una teoría anterior sobre el ‘cálculo fotónico’.

El dispositivo funciona mediante la codificación de parámetros en las propiedades de una onda electromagnética entrante; una vez dentro, la estructura única del dispositivo manipula la onda de tal manera que sale codificada con la solución a una ecuación integral preestablecida para esa entrada arbitraria.

El campo de los metamateriales involucra el diseño de estructuras compuestas complicadas, algunas de las cuales pueden manipular las ondas electromagnéticas de formas que son imposibles en los materiales naturales.

Para Nader Engheta, de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Pensilvania, uno de los objetivos más importantes en este campo ha sido diseñar metamateriales que puedan resolver ecuaciones.

En un artículo publicado en Science, Engheta y su equipo demuestran este tipo de dispositivo por primera vez.

Su experimento de prueba de concepto se realizó con microondas, ya que sus largas longitudes de onda permitieron un dispositivo de macroescala más fácil de construir. Los principios detrás de sus hallazgos, sin embargo, pueden reducirse a ondas de luz, y eventualmente encajar en un microchip.

Tales dispositivos de metamaterial funcionarían como computadoras analógicas que funcionan con luz, en lugar de electricidad. Podrían resolver ecuaciones integrales, problemas ubicuos en cada rama de la ciencia y la ingeniería, órdenes de magnitud más rápidas que sus contrapartes digitales, usando menos energía.

Este enfoque tiene sus raíces en la computación analógica. Las primeras computadoras analógicas resolvieron problemas matemáticos utilizando elementos físicos, como reglas de deslizamiento y conjuntos de engranajes, que eran manipulados de manera precisa para llegar a una solución. A mediados del siglo XX, las computadoras analógicas electrónicas reemplazaron a las mecánicas, con series de resistencias, condensadores, inductores y amplificadores que reemplazaron a los mecanismos de sus predecesores.

Dichas computadoras eran modernas, ya que podían resolver grandes tablas de información a la vez, pero se limitaban a la clase de problemas para los cuales estaban diseñadas previamente. La llegada de las computadoras digitales programables y reconfigurables las hicieron obsoletas.

A medida que se desarrollaba el campo de los metamateriales, Engheta y su equipo idearon una forma de llevar los conceptos detrás de la computación analógica al siglo XXI. Al publicar un esquema teórico para el “cálculo fotónico” en Science en 2014, mostraron cómo un metamaterial cuidadosamente diseñado podría realizar operaciones matemáticas en el perfil de una onda que pasa, como encontrar su primera o segunda derivada.

Ahora, Engheta y su equipo han realizado experimentos físicos que validan esta teoría y la amplían para resolver ecuaciones.

‘Queso suizo’

“Nuestro dispositivo contiene un bloque de material dieléctrico que tiene una distribución muy específica de agujeros de aire”, dice Engheta. “A nuestro equipo le gusta llamarlo ‘queso suizo'”, dijo en un comunicado.

El material de queso suizo es un tipo de plástico de poliestireno; Su forma intrincada está tallada por una fresadora CNC.

“Controlar las interacciones de las ondas electromagnéticas con esta estructura de queso suizo es la clave para resolver la ecuación”, dice Estakhri. “Una vez que el sistema está correctamente ensamblado, lo que se obtiene del sistema es la solución a una ecuación integral”.

“Esta estructura”, agrega Edwards, “se calculó a través de un proceso computacional conocido como ‘diseño inverso’, que se puede usar para encontrar formas que ningún humano pensaría intentar”.

Fuente: europapress.es

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