Абстрактное представление о том, что целое можно найти в каждой части чего-либо, долгое время очаровывало мыслителей, занятых во всех областях философии и экспериментальной науки: от Иммануила Канта о сущности времени до Дэвида Бома о понятии порядка, и от самоподобия фрактальных структур до определяющих свойств голограммы. Однако это, по понятным причинам, остается чуждым электронной технике, которая стремится разрабатывать все более специализированные и эффективные схемы обмена сигналами, обладающие высоко контролируемыми характеристиками. Напротив, в самых разнообразных сложных системах природы, таких как мозг, генерация активности, имеющей характеристики, которые проявляются одинаково в разных временных масштабах или частотах, является почти повсеместным наблюдением.

В стремлении изучить новые и неортодоксальные подходы к проектированию систем, способных решать сложные задачи вычислений и управления, физики и инженеры десятилетиями исследовали сети, состоящие из хаотических осцилляторов. Это системы, которые могут быть легко реализованы с использованием аналоговых электронных, оптических и механических компонентов. Их поразительное свойство заключается в том, что, несмотря на довольно простую структуру, они могут генерировать поведение, которое в то же время невероятно сложно и далеко не случайно. "Хаос влечет за собой чрезвычайную чувствительность к начальным условиям, а это означает, что активность в каждый момент времени фактически непредсказуема. Однако важным аспектом является то, что геометрическое расположение траекторий, генерируемых хаотическими сигналами, обладает четко определенными свойствами, которые, наряду с распределением частот, являются довольно стабильными и повторяемыми. Поскольку эти характеристики могут изменяться многими способами в зависимости от входного напряжения или настроек параметров, таких как значение резистора, эти схемы интересны как основа для реализации новых форм распределенных вычислений, например, на основе показаний датчиков", - объясняет доктор Людовико Минати, ведущий автор исследования. "В нашей недавней работе мы показали, что они могут быть эффективно использованы для реализации физических резервуаров, которые могут упростить обучение нейронных сетей", - добавляет г-н Джим Бартельс, докторант подразделения Nano Sensing, где проводилось исследование. ^[1].

Когда два или более хаотических осциллятора соединены вместе, возникает наиболее интересное поведение, поскольку они притягивают и отталкивают друг друга, пытаясь найти равновесие, способами, которые обычным периодическим осцилляторам просто недоступны. "Два года назад работа, проведенная в нашей лаборатории, продемонстрировала, что такое поведение может, по крайней мере в принципе, использоваться как средство сбора показаний с удаленных датчиков и непосредственного предоставления статистических данных, таких как среднее значение", - добавляет доктор Людовико Минати. ^[2]. Однако сложная природа хаотических сигналов подразумевает, что они обычно имеют широкие частотные спектры, которые сильно отличаются от тех узких и четко очерченных, которые обычно используются в современной беспроводной связи. "Как следствие, становится очень трудно, если не невозможно, реализовать соединения по воздуху. Это не только потому, что антенны часто сильно настроены на определенные частоты, но также и особенно потому, что правила радиосвязи не допускают вещания, кроме как в пределах строго определенных регионов", - объясняет г-н Боян Ли, магистрант и второй автор исследования.

На сегодняшний день существует значительный объем литературы, охватывающей многие эффекты, которые могут возникать в ансамблях хаотических осцилляторов. Например, могут появиться небольшие группы узлов, которые преимущественно синхронизируются друг с другом, немного похожие на группы людей, собирающихся вместе на вечеринке, вместе с неожиданными удаленными взаимозависимостями, которые напоминают нам о проблеме привязки в мозге. Однако, как ни удивительно, почти ни в каких исследованиях не рассматривалась возможность (или иное) соединения хаотических генераторов с помощью механизма, в основном фильтра, который передает только узкий диапазон частот. По этой причине исследователи из Tokyo Tech решили изучить поведение пары хаотических осцилляторов. Они соединили их с помощью фильтра, который они могли легко настроить, чтобы пропускать только узкий диапазон частот, сохраняя при этом проводное соединение между ними.

"Мы решили использовать чрезвычайно простой тип хаотического генератора, включающий всего один транзистор и несколько пассивных компонентов и известный как генератор Минати-Фраски. Это семейство осцилляторов было представлено около пяти лет назад исследователями из Италии и Польши и обладает многими замечательными свойствами, описанными в недавней книге. Недавно мы заинтересовались их пониманием и несколькими потенциальными областями применения", - объясняет доктор Хироюки Ито, руководитель подразделения наноразведки, где проводилось исследование.

Основываясь на моделировании и измерениях, исследовательская группа смогла продемонстрировать, что на самом деле возможно синхронизировать эти генераторы даже без передачи всего широкого спектра, а только относительно узкого его "среза". Им нравится сравнивать это с ситуацией, когда целое находится, по крайней мере частично, в части. При работе в диапазоне низких гигагерц, близком к тому, где работают беспроводные устройства первого поколения, генераторы могут синхронизироваться, передавая всего несколько десятых процента полосы пропускания. Как и ожидалось, синхронизация не была полной, что означало, что осцилляторы не полностью следили за активностью друг друга. "Такого рода неполная или слабая взаимозависимость - это именно та область, где наиболее интересные эффекты могут проявляться на уровне сети узлов. Это очень похоже на отношения между осцилляторами и нейронами, как показала одна из наших предыдущих работ. Это механизмы, которые представляют собой следующий рубеж для внедрения распределенных вычислений на основе эмерджентного поведения, чем занимаются многие исследовательские группы по всему миру", - добавляет доктор Маттиа Фраска из Университета Катании в Италии, который первоначально открыл эти схемы совместно с доктором Минати, позже проанализировав их поведение и взаимосвязь с другими системами. в природе и предоставил несколько теоретических основ, которые были использованы для исследования исследователями Токийского технологического института.

Исследователи заметили, что, хотя узкого участка спектра было достаточно для получения некоторой обнаруживаемой синхронизации, центральное расположение и ширина фильтра имели важные эффекты. Используя множество методов анализа, они смогли увидеть, что в некоторых областях активность ведомого генератора очевидным образом отслеживала настройку фильтра, в то время как в других проявлялись другие и довольно сложные эффекты. "Это хороший пример богатства возможностей, доступных для этих схем, которые остаются малоизвестными в сообществе электронной инженерии. Это совсем другое дело по сравнению с более простыми откликами периодических систем, которые либо заблокированы, либо не связаны друг с другом. Пройдет еще много времени, прежде чем мы действительно сможем реализовать эффективные приложения, использующие эти явления, поэтому следует сказать, что на данный момент это фундаментальное исследование. Тем не менее, очень интересно думать, что в будущем мы можем реализовать некоторые аспекты сенсорики, также используя эти необычные подходы", - добавляет г-жа Цзысюань Ли, докторант и соавтор исследования.

После этого интервью команда объяснила, что этот тип исследований сначала необходимо расширить за счет более глубокого понимания явлений и того, как их можно использовать для создания интересной коллективной деятельности. Затем две основные инженерные задачи будут заключаться в демонстрации соединений по реальной беспроводной линии связи, удовлетворяя при этом всем требованиям к радиосвязи, и существенной минимизации энергопотребления, также используя некоторые результаты их предыдущих исследований. "Если будут найдены успешные решения этих проблем, то одной из наших главных целей будет демонстрация применимости распределенного зондирования в приложениях, важных для общества, таких как мониторинг состояния земель в точном сельском хозяйстве", - заключает доктор Хироюки Ито. Методология и результаты описаны в недавней статье, опубликованной в журнале Хаос, солитоны и фракталы ^[3], и все экспериментальные записи были предоставлены в свободный доступ другим для использования в будущей работе.