Виртуальный ты. Как создание цифровых близнецов изменит будущее человечества

Преобразование входных данных из аналоговой формы в строку из единиц и нулей позволило перепрограммировать цифровые компьютеры для выполнения нескольких типов вычислений. Достижения в области интегральных электронных схем позволили цифровым компьютерам быстро сократить размеры и повысить мощность и скорость. Но аналоговые вычисления возвращаются, не в последнюю очередь потому, что этот подход может снизить энергопотребление, что становится все более серьезной проблемой для компьютерных гигантов. Аналоговая обработка также предлагает способ уловить хаотическое богатство реального мира[521]. Между тем развитие квантовых вычислений открывает необычайные новые возможности для виртуального человека.

Метаматериалы

Существует множество способов создания аналоговых компьютеров. Одним из многообещающих подходов являются технологии материалов следующего поколения: метаматериалы (meta от греческого «после»). В 2006 г. Роджер оказался в Имперском колледже Лондона, где изучал метаматериал, который сэр Джон Пендри разработал вместе с коллегами из Дюкского университета в Северной Каролине, чтобы скрывать объекты от радаров. Соединение медных проволок и петель на чем-то похожем на основу для пиццы реализовало идею, выдвинутую Пендри в 1999 г. (название «метаматериал» появилось позже)[522][523][524].

Метаматериалы открывают возможности, столь же необычайные, как и их способность манипулировать светом. Одним из интригующих применений является маскировка. Метаматериалы с градиентом положительных показателей преломления могут заставить свет обтекать объект, как в «пицце» Пендри. Тот же феномен искажения света можно наблюдать в мираже в пустыне, когда синий свет неба искривляется градиентами нагретого воздуха, создавая иллюзию пруда посреди песка[525]. Плащ из метаматериала скрывает произвольный объект из поля зрения, делая его невидимым. Другие же используют метаматериалы для выполнения аналоговых вычислений с использованием света.

Одна из таких работ ведется на факультете электротехники и системотехники Пенсильванского университета, там же родился и ЭНИАК – новаторский цифровой компьютер общего назначения. Надер Энгета, который работает над метаматериалами вместе с коллегами из Техаса и Италии, считает, что аналоговая оптическая обработка не только эффективна, но и может быть полезна для решения проблем, которые неразрешимы на цифровых машинах[526].

Роджер впервые столкнулся с Энгетой в 2005 г., когда обсуждал маскировку с помощью метаматериалов, которую он тогда называл «прозрачностью»[527]. Десять лет спустя Энгета показал, как вместо использования громоздких линз и оптики метаматериал толщиной в одну длину волны света может выполнять набор математических функций[528]. Входной сигнал кодируется в виде сложной формы световой волны. Некоторые свойства метаматериала – в частности, профиль показателя преломления, магнитные и электрические свойства – определяют то, как эта волна распространяется, и когда она проходила через метаматериал, Энгета мог заставить ее делать что-то математически полезное, например, решать интегральные уравнения со скоростью на несколько порядков выше, чем у цифровых компьютеров, потребляя при этом меньше энергии.

Его команда продемонстрировала эксперимент с использованием микроволн, длина которых намного больше, чем у видимого света (диапазон микроволн составляет от 30 см до 1 мм). Микроволнами управляли с помощью устройства, которое Энгета называл «швейцарским сыром»: блока полистирольного пластика площадью 2 квадратных фута с распределением воздушных отверстий, разработанного для решения интегрального уравнения с заданным «ядром», ключевой частью уравнения, описывающей связь между двумя переменными. После прохождения микроволнового излучения решение представлено формой, интенсивностью и фазой выходящей волны. В 2021 г. он показал, как «швейцарский сыр» может обрабатывать два разных интегральных уравнения одновременно, используя две микроволновые частоты[529].

Поскольку они манипулируют микроволнами, эти устройства измеряют примерно четыре длины волны на восемь длин волн, то есть имеют размер 30×60 см, что упрощает поиск ошибок[530]. На момент написания Энгета и его коллеги работали над фотонным чипом диаметром в несколько микрон[531]. Используя метаматериалы, которые могут изменять свои свойства, можно будет программировать устройства, подобно тому, как лазерный свет записывает информацию на старомодные компакт-диски. Параллелизм также возможен за счет одновременного использования разных длин волн (цветов).