Программируемая поверхность выполняющая математические операции прямо над радиоволнами

Инженеры из Юго-Восточного университета Китая создали уникальную программируемую метаповерхность, способную проводить вычисления непосредственно в процессе распространения электромагнитных волн. Вместо традиционного подхода, когда радиосигнал сначала оцифровывается и обрабатывается процессором, эта инновационная система использует саму волну как вычислительную среду. Об этом достижении рассказано в журнале Nature Communications.

В привычных системах связи и радиолокации сигнал проходит через антенну, преобразуется в цифровую форму и анализируется процессором. Этот этап является наиболее энергозатратным и требует сложной электроники.

Китайские исследователи нашли способ упростить эту схему. Они разработали программируемую метаповерхность – сверхтонкий материал со специализированной структурой, который может модифицировать свойства проходящих через него электромагнитных волн. Гибкость достигается за счет временных последовательностей: путем их изменения один и тот же материал может выполнять различные математические операции.

Ученым удалось реализовать две важные функции обработки сигналов: преобразование Фурье, позволяющее разложить сигнал по частотам (используется, например, для определения скорости объектов по эффекту Доплера), и свертку, помогающую сопоставлять принятый сигнал с эталонным для определения расстояния до объекта.

Ключевое преимущество их разработки в том, что обе операции выполняет одна и та же поверхность. Для переключения между ними достаточно изменить программу управления, не прибегая к физической замене оборудования. Эффективность системы подтверждена как лабораторными тестами, так и испытаниями в реальных условиях с радиопомехами. Во время экспериментов точность определения скорости движущегося объекта (200 м/с) составила около 200 м/с, а погрешность измерения расстояния до целей (4-28 км) не превышала 300 метров.

• Pending Signal (Входящий сигнал): Исходная аналоговая радиоволна, которая падает на метаповерхность. Она несет в себе первичную информацию, требующую обработки.
• STC Matrix (Матрица пространственно-временного кодирования): Это и есть сама программируемая поверхность. На схеме внизу показано, как её элементы разбиты по двум осям: Space Index (Координаты в пространстве) и Time Slot (Временные промежутки). Это значит, что каждый микроэлемент меняет свои свойства по заранее заданной программе миллионы раз в секунду.
• Fourier Transform (Преобразование Фурье): Первая виртуальная панель показывает, что при взаимодействии с поверхностью радиоволна мгновенно раскладывается на спектр частот. По сути, устройство прямо в воздухе «вычисляет» гармоники сигнала.
• Convolution Operation (Операция свёртки): Вторая панель демонстрирует следующий этап — математическую свёртку. Это важнейшая операция для распознавания образов, фильтрации шумов и работы нейросетей, которая здесь также выполняется физически, за счёт формы и фазы отражённой волны.
• Потоки двоичного кода (010101): Иллюстрируют, что управление свойствами метаповерхности задаётся цифровым кодом от внешнего контроллера, но сами вычисления происходят чисто в аналоговой, волновой форме.

Хотя для программирования и синхронизации метаповерхности электроника все еще необходима, эта технология значительно снижает потребность в сложной цифровой обработке сигналов. Это открывает перспективы для уменьшения использования дорогих аналого-цифровых преобразователей и вычислительных процессоров.

Технологии найдут применение в следующих сферах:

• Разработка радаров будущего.
• Усовершенствование спутниковых коммуникаций.
• Создание сетей шестого поколения (6G).
• Применение в автомобильной радиолокации.
• Интеграция в интеллектуальные системы беспроводной связи.

Кроме того, создатели технологии видят своей следующей целью повышение скорости коммутации метаповерхностей, стремясь при этом сохранить высокие показатели точности и энергосбережения.