Oprettelse af integrerede kredsløb, der kan generere kaotiske signaler

Forskere ved Tokyo Institute of Technology har fundet en enkel, alligevel meget alsidig måde at generere "kaotiske signaler" med forskellige funktioner. Teknikken består i at forbinde tre ringoscillatorer, effektivt får dem til at konkurrere mod hinanden, samtidig med at de kontrollerer deres respektive styrker og deres forbindelser. Den resulterende enhed er ret lille og effektiv, således velegnet til nye applikationer, såsom realisering af trådløse netværk af sensorer.

Evnen til at genskabe de signaler, der findes i naturlige systemer, som dem i hjernen, sværme, og vejret, er nyttigt at forstå de underliggende principper. Disse signaler kan være meget komplekse, som i ekstreme tilfælde af de såkaldte kaotiske signaler. "Kaos" betyder ikke tilfældighed; det repræsenterer en meget kompliceret type ordre. Minutændringer i parametrene for et kaotisk system kan resultere i meget forskellig adfærd. Kaotiske signaler er svære at forudsige, men de er til stede i mange scenarier.

Desværre, generation af kaotiske signaler med ønskede funktioner er en vanskelig opgave. At oprette dem digitalt er i nogle tilfælde for strømkrævende, og tilgange baseret på analoge kredsløb er påkrævet. Nu, forskere i Japan, Italien og Polen foreslår en ny tilgang til at skabe integrerede kredsløb, der kan generere kaotiske signaler. Denne forskning var resultatet af et samarbejde mellem forskere fra Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), delvist finansieret af World Research Hub Initiative, universiteterne i Catania og Trento, Italien, og det polske videnskabsakademi i Krakow, Polen.

Forskergruppen startede ud fra tanken om, at cyklusser, der har perioder sat med primtal, ikke kan udvikle et fastfaseforhold. Overraskende nok, dette princip synes at være opstået i udviklingen af ​​flere arter af cikader, hvis livscyklus følger årtal for at undgå synkronisering med hinanden og med rovdyr. For eksempel, forsøg på at binde oscillatorer sammen med perioder indstillet til de tre første primtal (3, 5 og 7) resulterer i signaler, der er meget komplicerede, og kaos kan let genereres (fig. 1).

Designet startede fra den mest traditionelle oscillator, der findes i integrerede kredsløb, ringoscillatoren, som er lille og ikke kræver reaktive komponenter (kondensatorer og induktorer). Et sådant kredsløb blev ændret, så styrkerne ved ringoscillatorer med tre, fem og syv faser kunne styres uafhængigt, sammen med tætheden af ​​deres forbindelser. Enheden kan generere kaotiske signaler over et bredt frekvensspektrum, fra hørbare frekvenser til radiobåndet (1 kHz til 10 MHz). "I øvrigt, det kunne gøre det ved et ret lavt strømforbrug, under en milliontedel af watt, "forklarer Dr. Hiroyuki Ito, leder af laboratoriet, hvor prototypen blev designet.

Endnu mere bemærkelsesværdig var opdagelsen af, at helt forskellige typer signaler kunne genereres afhængigt af de lidt forskellige karakteristika de enkelte prototyper (fig. 2). For eksempel, forskerne registrerede tog af pigge, der ligner dem, der findes i biologiske neuroner. De fandt også situationer, hvor ringene "kæmpede mod hinanden" for næsten at undertrykke deres aktivitet:Dette fænomen kaldes "svingningsdød".

"Dette kredsløb trækker sin skønhed fra en virkelig vigtig form og princip, og enkelhed er nøglen til at realisere store systemer, der arbejder sammen på en harmonisk måde, især når det er beriget med små forskelle og ufuldkommenheder, såsom dem, der findes i de realiserede kredsløb, "siger Dr. Ludovico Minati, hovedforfatter til undersøgelsen.

Fundet har mange mulige anvendelser. Forskerne vil arbejde på at integrere dette kredsløb med sensorer til måling af kemiske egenskaber i jorden, for eksempel. Derudover de vil oprette netværk af disse oscillatorer på enkelt computerchips forbundet til at ligne biologiske neurale kredsløb. De håber at realisere visse operationer, mens de bruger mange gange mindre strøm end en traditionel computer.