توضیح تصویر: مهندسان دانشگاه پنسیلوانیا یک وسیله اَبَر ماده‌ای را طراحی کرده اند که می تواند معادلات انتگرال را حل کند. این دستگاه با استفاده از رمزی کردن پارامترها در خواص یک موج الکترومغناطیسی در حال دریافت کار می کند. وقتی که در داخل است، ساختار منحصر به فرد دستگاه، موج را به گونه ای اداره می کند که به صورت کد گذاری شده با راه حل یک معادله انتگرالی از قبل تعیین شده برای آن ورودی دلخواه خارج شود.
اعتبار: اریک ساکار 
  

گزارش کامل

رشته ابر ماده‌ها شامل طراحی پیچیده ساختارهای کامپوزیتی است که بعضی از آنها می توانند امواج الکترومغناطیسی را به روش هایی که در مواد طبیعی موجود غیرممکن است، دستکاری کنند.
 
برای نادر انقطاع از دانشکده مهندسی و علوم کاربردی دانشگاه پنسیلوانیا، یکی از ارجمندترین اهداف در این زمینه طراحی ابر موادی بوده است که بتوانند معادلات را حل کنند. این "حساب دیفرانسیل و انتگرال فوتونی" توسط کد گذاری کردن پارامترها به درون خواص یک موج الکترومغناطیسی در حال دریافت و ارسال آن از طریق یک وسیله متا مواد کار می کند؛ وقتی که در داخل است، ساختار منحصر به فرد دستگاه، موج را به گونه ای اداره می کند که به صورت کد گذاری شده با راه حل یک معادله انتگرالی از قبل تعیین شده برای آن ورودی دلخواه خارج شود.
 
انقطاع و تیم او در یک مقاله که اخیراً در مجله ساینس منتشر شده است، چنین دستگاهی را برای اولین بار نشان داده اند.
 
آزمایش برهان مفهومی آنها با مایکروویو ها انجام شد، به طوری که طول موج های بلند آنها اجازه ساخت یک دستگاه بزرگ مقیاس ساده ساخت‌تر را می‌داد. با این حال اصول علمیِ پشتِ یافته های آنها می تواند به امواج نوری کاهش مقیاس داده شود و در نهایت با یک میکرو تراشه فیت شود. دستگاه های ابر ماده ای به عنوان کامپیوترهای آنالوگی عمل می کنند که با نور به جای برق کار می کنند
 
چنین دستگاه های ابر ماده ای به عنوان کامپیوترهای آنالوگی عمل می کنند که با نور به جای برق کار می کنند. آنها می توانند معادلات انتگرال – در مسائل فراگیر در هر شاخه ای از علم و مهندسی – را با مرتبه های سرعتی بیش از همتایان دیجیتال خود حل کنند، در حالی که از توان کمتری استفاده می کنند.
 
انقطاع، استاد گروه مهندسی برق و سیستم H. Nedwill Ramsey، این مطالعه همراه با اعضای آزمایشگاه، نسیم محمدی استخری و برین ادواردز هدایت کرد.
 
این رویکرد در محاسبات آنالوگ ریشه دارد. اولین کامپیوترهای آنالوگ مشکلات رایج را با استفاده از عناصر فیزیکی مانند قوانین اسلاید و مجموعه دنده ها حل می‌کردند که با روش دقیق برای رسیدن به یک راه حل اداره می‌شدند. در اواسط قرن بیستم، کامپیوترهای آنالوگ الکترونیکی جایگزین مکانیکی شدند، با مجموعه ای از مقاومت ها، خازن ها، سنسورها و تقویت کننده ها که جایگزین قطعات مکانیکی دقیق ساعتی پیشین خود شدند.
 
چنین رایانه هایی پیشرفته تر بودند، چرا که آنها می توانستند جداول زیادی را در یک زمان حل کنند، اما محدود به کلاس هایی بودند که از پیش طراحی شده بودند. ظهور کامپیوترهای قابل برنامه ریزی دیجیتالی قابل پیکر بندی، که با ENIAC، ساخته شده در پن در سال 1945، شروع شد، آنها را منسوخ نمود.
 
همانطور که رشته ابر مواد توسعه داده شده است، انفطاع و تیم او راه را برای آوردن مفاهیم پردازش آنالوگ به قرن 21 طراحی کرده اند. با انتشار یک طرح کلی نظری برای محاسبات دیفرانسیل و انتگرال فوتونی در مجله ساینس در سال 2014، آنها نشان دادند که چگونه یک ابر ماده به دقت طراحی شده می تواند عملیات ریاضی، مثل گرفتن مشتق اول و دوم، را روی نمایه‌ی یک موج عبوری از داخل خود انجام دهد.
 
در حال حاضر، انقطاع و تیم او آزمایش های فیزیکی اعتبار دهنده به این نظریه و گسترش دهنده آن برای حل معادلات  را انجام داده اند.
 
انقطاع می گوید: "دستگاه ما شامل یک بلوک مواد دی الکتریک است که توزیع بسیار خاصی از حفره های هوا دارد." "تیم ما دوست دارد آن را پنیر سوئیس بنامد."
 
مواد پنیر سوئیس نوعی پلی استایرن است. شکل پیچیده آن توسط دستگاه تراش CNC حکاکی شده است.
 
استخری می گوید: "کنترل فعل و انفعالات امواج الکترومغناطیسی با این ابر ماده پنیر سوئیسی کلید حل معادلات است." "هنگامی که سیستم به درستی مونتاژ می شود، آنچه شما از سیستم خارج می کنید، راه حل معادلات انتگرال است."   آنها نشان دادند که چگونه یک ابر ماده به دقت طراحی شده می تواند عملیات ریاضی، مثل گرفتن مشتق اول و دوم، را روی نمایه‌ی یک موج عبوری از داخل خود انجام دهد.
 
ادواردز می افزاید: "این ساختار، از طریق یک پردازش محاسباتی به نام" طراحی معکوس "محاسبه می شود، که می تواند برای پیدا کردن شکل هایی که هیچ انسانی فکر ساخت آنها را نکرده، استفاده شود."
الگوی مناطق توخالی در پنیر سوئیسی برای حل یک معادله انتگرالی با یک "هسته" داده شده، که بخشی از معادله است که رابطه بین دو متغیر را توصیف می کند، از پیش تعیین شده است. این طبقه کلی از چنین معادلات انتگرالی‌، معروف به "معادلات انتگرالی فردهولم از نوع دوم"، یک روش معمول برای توصیف پدیده های مختلف فیزیکی در زمینه های مختلف علمی است. معادله از پیش تعیین شده می تواند برای هر ورودی دلخواهی حل شود که توسط فازها و مقادیر امواج ارائه شده در دستگاه نشان داده می شوند.
 
"به عنوان مثال، اگر شما سعی داشته باشید آکوستیک یک سالن کنسرت را برنامه ریزی کنید، می توانید یک معادله انتگرالی بنویسید که در آن ورودی ها منبع صدا، مانند موقعیت سخنرانان یا ابزارها، و همچنین این که چقدر بلند پخش می شوند باشد. دیگر بخش های معادله، هندسه اتاق و موادی که دیوارها از آن ساخته شده اند را نشان می دهد. حل این معادله به شما میزان صدا در نقاط مختلف سالن کنسرت را می دهد."
 
برگرفته از سایت sciencedaily
مترجم: حمید وثیق زاده انصاری