为了描述他们基于微波的模拟计算方法，研究人员构造了一个用于模拟房子或者办公楼里的小房间的金属盒，一个橘色的金属超表面阵列让WiFi波在房间中反射，遍布房间的四个天线来记录计算的结果。

（图片来源：P. del Hougne and G. Lerosey, Phys. Rev. X (2018)）

大部分的计算机用数字信息1和0来运行计算，但是也可以用连续的（或模拟的）信息来计算，例如电路中的电压或是光波的振幅。基于波的模拟计算的实验表明，由于WiFi波会随机在墙壁上反弹，你的办公室或是房间可以作为WiFi波处理器，通过添加一个反射阵列来重塑微波，我们就能得到想要的结果。再通过在进行更深入的优化，研究人员预想这种模拟处理器的处理速度更快，并比现有的数字机器消耗更少的能源。

一些早期的电子计算机是模拟计算器，但是数字计算机却展现出更加灵活和精确的特点。但是依然有一些任务，像矩阵运算和图像处理，模拟计算的速度可以比其相应的数字计算更快。最近，研究人员对模拟计算的兴趣重新聚焦于超材料（metamaterials）上，一种能够控制光波的传播路线的结构。其原理是，利用入射波的振幅或是相位对信息进行编码，而超材料将入射波散射并让它们互相产生干涉来处理信息。最终计算的结果编码于产生的新波中。而困难则在于构造一种超材料，能实现期望的散射效果。这样的设备也存在不可再编程化的缺点。

来自劳厄-朗之万研究所（Langevin Institute）的Philipp del Hougne和惠外科技公司（company Greenerwave）的Geoffroy Lerosey在巴黎一起想出来一个不同的方法。与其用工程化的材料来处理入射波，他们提议先对波进行整合，然后利用杂乱的材料来散射，或者说是“混合”微波。del Hougne 解释道，编程光———就是我们熟知的波形整合，比构建一个高精度的超材料更容易实现。并且这个系统是可再编程化的，用户可以重新更改微波修正的指令。

为了展示他们的方法的可行性，研究人员在一个带有几个家具结构的一米宽的金属箱子里设置了WiFi网络。研究人员使用4个现成的WiFi天线，把整个空间里都充满微波，并作为测量输出信号的接收器。

研究团队利用安装在两个墙上的由88块反射器构成的阵列（超表面），对波形进行了整合。他们让反射器在两个不同的状态间切换，一个不改变反射波的相位，另一个使反射波产生180°的相移（phase shift）。

作为初始步骤，在WiFi发射器都发送相同的标准输入信号下，研究人员记录下各样的超表面配置的输出。这个步骤能让他们将波在盒子里的复杂散射过程特征化，然后对超表面进行编程来运行多样的线性运算，这经常用于科学数据处理和人工神经网络中。例如，他们进行了一个四元傅里叶变换，将4个数据组成的字符串转化为相应的频谱，比如（1，0，0，1）对应（0.9，0.3，-0.3，0.3）。系统返回了正确的结果，而且只有3.8%的错误率。

这种模拟计算的速度是很快的，因为傅里叶变换和其他任意的线性运算是一次完成的，而数字计算机通常需要运行4*4=16次（4次输入4次输出）。但是启动步骤是耗时的，高额的经费让这种四元的基于波的运算技术远没有竞争力。研究团队推测要将系统扩充到30个输入元才能使其与当前的千兆赫数字计算机计算速度相同。研究人员同时研究了能源消耗，并预计系统一旦优化，他们的系统将拥有比数字计算机低百倍的能耗。

来自马里兰大学帕克分校（University of Maryland, College Park）的波控专家（wave-control）Steven Anlage说：“使用“混沌波”来计算是个令人激动的绝对值得探寻的想法。“他说del Hougne和Lerosey的工作建立在之前利用波形整合和复杂散射介质聚焦光线的努力成果上。Anlage认为，团队的聪明之处在于引入了可调节的超表面，用于引导散射波进行模拟计算。来自意大利萨尼奥大学（the University of Sannio）的模拟计算的研究人员Vincenzo Galdi认为这个新的基于波的计算方法是可行的。他不确定这是否能够和数字计算相竞争，”但在速度和能源效率方面的估计表明，它具有非常大的潜力“，他说。

这项研究被发表在《物理评论X》上。

翻译：王麟涛

初审：郝豪

复审：张哲

作者：Michael Schirber（法国里昂物理学的通讯编辑）

引进来源：美国物理学会

本文来自：环球科学

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