随着我们的数字设备处理越来越复杂的计算，科学家们开始从物理学中寻找新的计算范式的灵感。与传统处理器那样在硅片上穿梭电信号不同，一种有趣的方法是将信息编码为在空间中传播的电磁波或声波。这些基于波的计算机可以以令人难以置信的速度解决问题——理论上可以达到光速本身。
之所以产生这种极端速度，是因为数据处理本质上是通过故意的干涉模式在波介质中发生的。没有像数字电路那样拖累性能的级联逻辑门。波形包含幅度和相位数据，与简单的开关二进制数字相比，丰富了信息容量。而且，由于不需要重复的模数转换，波浪计算机避免了阻碍传统计算架构发展的主要瓶颈。
多年来，专家们一直在寻求构建实用的基于波浪的系统，但围绕复杂性、可定制性和可制造性的固有挑战阻碍了进展。事实证明，实现实用的基于波的计算机非常困难。先前的概念需要复杂的优化算法，从而产生不可制造的设计。基于可配置电路阵列的替代方法需要不切实际数量的移相器和放大器。所有这些设置都是特定于应用程序的，缺乏解决广泛问题的灵活性。
现在，中国东南大学的科学家们利用超表面取得了重大突破，超表面是一项关键的光子技术，有望对电磁波进行革命性的控制。他们开创性的超表面计算机有效地执行快速模拟矩阵计算，这将削弱速度更快的数字超级计算机。
该团队在Advanced Functional Materials上报告了他们的发现。
矩阵方程在科学和工程领域占有重要地位，可以对从机器学习优化器到结构力学仿真的所有内容进行建模。以数字方式解决这些问题需要强大的计算能力，这激发了人们对基于模拟波的架构的浓厚兴趣。
新的超表面求解器的关键在于其计算电磁表面，由1176个精心调谐的单元组成，这些单元可以修改入射波的振幅和相位。这种可重新编程的纳米光子介质主动将输入信号转换为所需的输出数据，将数学物理嵌入超表面。
为了操作求解器，复杂的矩阵方程被转换为两个分量——系数矩阵和常数向量。这些数据印在进入两个输入端口的电磁波上。当信号通过超表面区域传播时，它们会通过散射反射进行复杂的干涉计算。最终结果出现在输出端口，编码到输出波上。
值得注意的是，当波以接近光速的速度穿过装置时，整个过程几乎立即完成。没有像数字处理器那样的系统逻辑门延迟。超表面计算机的功耗也远低于硅等价物，从而大大降低了运营成本。
至关重要的是，该操作原理允许通过改变超表面设计和输入信号来求解任意复杂的矩阵方程。因此，相同的硬件平台可以适应各种问题，而无需进行根本的架构更改。这种可编程性提供了显着的多功能性，这是以前的波形计算机所缺乏的，即使是基本的数学运算，也需要定制设计。
由于到目前为止，调整单个超表面单元已被证明是困难的，因此当前的原型演示了固定方程的不可重构求解器。然而，动态超表面技术的快速发展表明，研究人员可以按需重新配置完全软件定义的超表面计算机。该论文还指出，在更高的频率下工作将减小整体尺寸，使更大的超表面能够解决更大的矩阵计算。
此外，超表面的可扩展平面几何形状使得扩展架构比以前尝试用于波浪计算的 3D 超材料结构更可行。如果开发得当，这种快速可重构的超表面矩阵求解器可以显著改变需要大量数值分析的部门，从天气预报到优化研究。
开创性的超表面求解器在实时波形计算和实际可编程性之间架起了一座期待已久的桥梁。虽然初始原型处理的矩阵大小有限，为 5 x 5，但更多元素可以枚举更高的维度。事实上，超表面的可扩展平面几何形状使得大型问题解决比以前尝试的笨重的 3D 超材料结构更直接。
研究人员通过模拟和测量全面验证了他们的设计，准确地求解了几个测试矩阵方程。在四个仿真测试用例中，元计算机生成的解决方案具有相当低的错误率，平均为 21%。在制造原型上的实验进一步验证了该架构对 3x3 矩阵的可行性，成功计算了八个不同矩阵问题的解决方案。从定量上看，这些测量解决方案的平均误差低于 25%，与竞争电子模拟计算方案的初始基准相当。主要误差源于纳米加工的公差和精确读取输出数据的挑战。
通过利用最先进的微纳加工设施和高精度计量设备，这两个因素都应该得到实质性改善。随着进一步的改进，超表面计算机可以超越数字技术，用于需要极快速度的专业任务。
随着进一步的改进，超表面计算机可以超越数字处理器，用于需要极快速度的专业任务，如雷达成像、科学建模和数据分析。有趣的是，它们的高效率也可能适合低功耗边缘计算应用。这项突破性的工作通过解决以前在复杂性、可定制性和物理可实现性方面的瓶颈，为超表面计算奠定了重要基础。如果开发得当，这种快速模拟矩阵求解器可以显著改变需要大量数值分析的领域，从天气预报到优化研究。
