Los metamateriales pueden resolver ecuaciones a la velocidad de la luz

Los metamateriales pueden resolver ecuaciones a la velocidad de la luz

La computación analógica basada en interacciones de ondas electromagnéticas con metamateriales ha hecho posible el diseño de un ordenador analógico óptico y compacto que puede resolver ecuaciones diferenciales casi al instante.

Dos físicos estadounidenses han diseñado un ordenador analógico óptico y compacto que resuelve ecuaciones diferenciales e integrales casi al instante gracias al material con el que fue construido. Los resultados se han publicado en Physical Review Letters.

Los ordenadores clásicos están inextricablemente asociados con la electrónica digital, que se basa en la representación de la información en forma de unos y ceros y su procesamiento mediante operaciones a nivel de bits.

Este enfoque suma o resta números enteros e incluso números racionales. También se utiliza en el procesamiento de señales analógicas, que son funciones de una o más variables. En este caso, es necesario realizar conversiones de analógico a digital.

Ordenadores analógicos

Sin embargo, existe otro enfoque basado en el uso de ordenadores analógicos. En este enfoque, el procesamiento de la información analógica lo realiza directamente una calculadora.

Debido a esto, el enfoque analógico tiene una ventaja de velocidad cuando se trabaja con funciones como diferenciación, integración o resolución de ecuaciones diferenciales.

En rigor, los primeros ordenadores eran analógicos, en particular, mecánicos. Su principal inconveniente era la falta de universalidad.

Finalmente, en la segunda mitad del siglo XX, los ordenadores analógicos dieron paso a los dispositivos digitales, cuyo poder de cómputo en ese momento estaba creciendo según la ley de Moore: establece que, aproximadamente cada 2 años, se duplica el número de transistores en un microprocesador.

Acelerando cálculos

La ley de Moore, sin embargo, se ha ralentizado mucho en la actualidad. Por este motivo, y para acelerar los cálculos, físicos e ingenieros han comenzado a mirar de nuevo hacia los ordenadores analógicos.

Esta aproximación se ve facilitada por el rápido progreso en el campo de la creación de materiales que interactúan con la luz de una manera nueva.

Por ejemplo, los científicos ya han desarrollado redes neuronales analógicas ópticas y de terahercios. La principal desventaja de estas tecnologías es su gran tamaño, que no permite implementarlas en un chip.

Para resolver este problema, Andrea Alù y Heedong Goh, de la Universidad de la Ciudad de Nueva York, propusieron el uso de metamateriales.

Simulaciones digitales

Los metamateriales son materiales artificiales que presentan propiedades electromagnéticas inusuales: tienen una gran importancia en los campos de la óptica y del electromagnetismo.

Usando simulaciones digitales, los autores de la nueva investigación demostraron que las computadoras analógicas micrométricas construidas con un metamaterial pueden resolver casi instantáneamente ecuaciones diferenciales e integro-diferenciales con alta precisión y estabilidad, si se irradian con luz de cierta frecuencia.

Lo consiguen aplicando al modelo una calculadora analógica óptica basada en la representación de las soluciones de entrada y salida a través de ondas electromagnéticas.

Como ejemplo, los físicos diseñaron una calculadora que resuelve una ecuación diferencial de segundo orden, así como una ecuación integral de Fredholm de segundo tipo, en un tiempo récord.

Resultados satisfactorios

Los resultados de la simulación mostraron que las aproximaciones realizadas son suficientes para una buena reproducción de las soluciones. El modelo mostró estabilidad incluso cuando los autores agregaron ruido a la distribución de frecuencias y permitividad, el parámetro físico que describe cuánto son afectados los materiales por un campo eléctrico.

Los autores de esta investigación señalan que, si el método descrito se extiende al campo tridimensional, podrá resolver problemas para funciones bidimensionales.

Actualmente, los investigadores ya trabajan en la implementación experimental de la calculadora analógica propuesta en el marco de la óptica y la acústica.

Ya hay algún antecedente significativo: en 2018, físicos franceses cubrieron las paredes de una oficina con metasuperficies y la convirtieron así en una computadora analógica que opera en frecuencias Wi-Fi.

Referencia

Nonlocal Scatterer for Compact Wave-Based Analog Computing. Heedong Goh and Andrea Alù. Phys. Rev. Lett. 128, 073201; 18 February 2022. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.073201

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