Synchronizacja chaosu w wąskim wycinku spektrum

Abstrakcyjne pojęcie, że całość można znaleźć w każdej części czegoś, od dawna fascynowało myślicieli zajmujących się wszystkimi dziedzinami filozofii i nauk eksperymentalnych, od Immanuela Kanta nad istotą czasu po Davida Bohma nad pojęciem porządku i czasu. struktur fraktalnych o właściwościach definiujących hologramy.

Pozostało to jednak, co zrozumiałe, dziwne Inżynieria elektroniczna, która dąży do opracowania coraz bardziej wyspecjalizowanych i wydajnych obwodów wymiany sygnałów o wysoce kontrolowanych właściwościach. W przeciwieństwie do tego, w najbardziej różnorodnych złożonych systemach w przyrodzie, takich jak mózg, generowanie działań o cechach, które pojawiają się podobnie w różnych skalach czasowych lub częstotliwościach, jest niemal wszechobecną obserwacją.

W dążeniu do zbadania nowych i niekonwencjonalnych podejść do projektowania systemów zdolnych do rozwiązywania trudnych problemów obliczeniowych i kontrolnych, fizycy i inżynierowie przez dziesięciolecia badali sieci utworzone przez chaotyczne oscylatory. Są to systemy, które można łatwo zrealizować przy użyciu analogowych elementów elektronicznych, optycznych i mechanicznych.

Ich wyjątkową właściwością jest to, że pomimo dość prostej struktury mogą generować zachowania, które są zarówno niezwykle skomplikowane, jak i nieprzypadkowe.

„Chaos wiąże się z wyjątkową wrażliwością na warunki początkowe, co oznacza, że ​​aktywność w każdym momencie jest praktycznie nieprzewidywalna. Jednak kluczowym aspektem jest to, że geometryczne układy trajektorii generowanych przez chaotyczne sygnały mają dobrze zdefiniowane właściwości, które razem z rozkładem częstotliwości są dość stabilne i powtarzalne.Ponieważ cechy te mogą zmieniać się na wiele sposobów w zależności od napięcia wejściowego lub ustawień parametrów, takich jak wartość rezystora, obwody te są interesujące jako podstawa do realizacji nowych kształtów obliczeń rozproszonych, na przykład na podstawie odczytów czujników”, wyjaśnia dr. Ludovico Minati, główny autor badania.

„W naszej ostatniej pracy pokazaliśmy, że można je skutecznie wykorzystać do stworzenia pewnego rodzaju fizycznych rezerwuarów, które mogą uprościć szkolenie sieci neuronowych” – dodaje Jim Bartels, doktorant w Nano Sensing Unit, w którym przeprowadzono badanie.

Kiedy dwa lub więcej chaotycznych oscylatorów jest połączonych ze sobą, najciekawsze zachowania pojawiają się, gdy przyciągają i odpychają swoje działania, próbując znaleźć równowagę, w sposób, do którego zwykłe oscylatory okresowe po prostu nie mają dostępu. „Dwa lata temu prace wykonane w naszym laboratorium wykazały, że te zachowania można, przynajmniej w zasadzie, wykorzystać jako sposób na zbieranie odczytów z odległych czujników i bezpośrednie dostarczanie statystyk, takich jak średnia wartość”, dodaje dr. Ludovico Minati.

Jednak złożona natura chaotycznych sygnałów oznacza, że ​​często mają one szerokie widma częstotliwości, które bardzo różnią się od wąskich, doskonale wytyczonych widm, które są zwykle używane w nowoczesnej komunikacji bezprzewodowej. „W rezultacie bardzo trudne, jeśli nie niemożliwe, staje się nawiązywanie połączeń przez powietrze. Dzieje się tak nie tylko dlatego, że anteny są często bardzo dostrojone do określonych częstotliwości, ale także i głównie dlatego, że przepisy radiowe nie zezwalają na transmisję poza zasięgiem studni. -określonych regionów granicznych”, wyjaśnia p. Boyan Li, student studiów magisterskich i drugi autor badania.

Do chwili obecnej istnieje pokaźna literatura obejmująca wiele efektów, które mogą wystąpić w chaotycznych zespołach oscylatorów. Na przykład mogą pojawić się małe skupiska węzłów, które preferencyjnie synchronizują się ze sobą, trochę jak grupy ludzi spotykające się na przyjęciu, wraz z nieoczekiwanymi zdalnymi współzależnościami, które przypominają nam o problemie z okablowaniem w mózgu.

Co zaskakujące, prawie żadne badanie nie rozważało możliwości (lub nie) sprzężenia chaotycznych oscylatorów za pomocą mechanizmu, w zasadzie filtra, który przenosi tylko wąski zakres częstotliwości. Z tego powodu naukowcy z Tokyo Tech postanowili zbadać zachowanie pary chaotycznych oscylatorów. Połączyli je ze sobą za pomocą filtra, który mogli łatwo dostosować, aby przepuszczać tylko wąskie pasmo częstotliwości, zachowując jednocześnie połączenie przewodowe między nimi.

„Zdecydowaliśmy się użyć niezwykle prostego typu oscylatora chaotycznego, zawierającego tylko jeden tranzystor i kilka elementów pasywnych, znanego jako oscylator Minati-Frasca. Ta rodzina oscylatorów została wprowadzona około pięć lat temu przez naukowców z Włoch i Polski, a ma wiele niezwykłych właściwości opisanych w niedawno wydanej książce. Ostatnio zainteresowaliśmy się ich zrozumieniem i wieloma potencjalnymi zastosowaniami” – wyjaśnia dr. Hiroyuki Ito, szef Nano Sensing Unit, w którym przeprowadzono badanie.

Na podstawie symulacji i pomiarów zespół badawczy był w stanie wykazać, że rzeczywiście możliwa jest synchronizacja tych oscylatorów nawet bez przenoszenia całego szerokiego widma, a jedynie jego stosunkowo wąskiego „wycinka”. Lubią to porównywać do sytuacji, w której całość spotyka się, przynajmniej częściowo, w części.

Podczas pracy w obszarze o niższym gigahercu, w pobliżu miejsc pracy urządzeń bezprzewodowych pierwszej generacji, oscylatory mogą synchronizować się, przesyłając tylko kilka punktów procentowych przepustowości. Zgodnie z oczekiwaniami synchronizacja nie była kompletna, co oznacza, że ​​oscylatory nie podążały całkowicie za swoją aktywnością.

„Ten rodzaj niepełnej lub słabej współzależności jest właśnie regionem, w którym najciekawsze efekty mogą wystąpić na poziomie sieci węzłów. Jest to dość podobne między oscylatorami a neuronami, jak pokazała jedna z naszych poprzednich prac. mechanizmów, które stanowią kolejną granicę wdrażania przetwarzania rozproszonego opartego na pojawiających się zachowaniach, do czego dąży wiele grup badawczych na całym świecie”, dodaje dr Mattia Frasca z Uniwersytetu w Katanii we Włoszech, który początkowo wspólnie z dr. Minati, później razem analizując ich zachowania i relacje z innymi systemami w przyrodzie, dostarczył kilka podstawy teoretyczne które zostały wykorzystane do badań przez naukowców z Tokyo Tech.

Naukowcy zaobserwowali, że chociaż wąski wycinek widma był wystarczający do osiągnięcia pewnej wykrywalnej synchronizacji, centralne położenie i szerokość filtra miały istotny wpływ. Korzystając z niezliczonych technik analitycznych, byli w stanie zobaczyć, że w niektórych regionach działa niewolnictwo oscylator wyraźnie prześledzili konfigurację filtra, podczas gdy w innych pojawiły się inne i nieco bardziej złożone efekty.

„To dobry przykład bogactwa zachowań dostępnych dla tych obwodów, które pozostają mało znane w społeczności inżynierów elektronicznych. Jest zupełnie inny w porównaniu z prostszymi reakcjami układów okresowych, które są ze sobą połączone lub nie. Przed nami jeszcze długa droga, zanim będziemy mogli faktycznie przeprowadzić skuteczne aplikacje wykorzystujące te zjawiska, więc trzeba powiedzieć, że w tej chwili są to badania podstawowe. Jednak bardzo fascynujące jest myślenie, że w przyszłości będziemy mogli wykonywać niektóre aspekty wykrywania również przy użyciu tych niezwykłych podejść” – dodaje Zixuan Li, doktorant i współautor badania.

Po tym wywiadzie zespół wyjaśnił, że tego typu badania będą musiały zostać rozszerzone przede wszystkim w celu głębszego zrozumienia zjawisk i tego, jak można je wykorzystać do generowania ciekawych wspólnych działań. Tak więc dwoma głównymi wyzwaniami inżynieryjnymi będzie zademonstrowanie sprzężeń w prawdziwym łączu bezprzewodowym, spełniających wszystkie wymagania radiowe i znacznie minimalizujących zużycie energii, również z wykorzystaniem niektórych wyników z poprzednich badań.

„Jeżeli uda się znaleźć skuteczne rozwiązania tych wyzwań, jednym z naszych głównych celów będzie zademonstrowanie rozproszonego wykrywania przydatnego w zastosowaniach ważnych dla społeczeństwa, takich jak monitorowanie stanu gruntów w rolnictwie precyzyjnym”, podsumowuje dr. Hiroyuki Ito. Metodologia i wyniki zostały przedstawione w niedawnym artykule opublikowanym w Chaos, solitony i fraktalea wszystkie nagrania eksperymentalne zostały bezpłatnie udostępnione innym osobom do wykorzystania w przyszłych pracach.