Rekenen met glas en licht

Digitale computers zijn alomtegenwoordig, maar dat was niet altijd zo. Analoge computers kennen een aantal sterke punten en versloegen tot ver na de Tweede Wereldoorlog hun digitale evenknieën bij natuurkundige simulaties met stukken. Deze nieuwe analoge computer kan letterlijk rekenen met de snelheid van het licht. Heeft de Turing-model computer zijn langste tijd gehad en zullen we een uitwaaiering van computertechnologie zien?

Het verschil tussen analoge en digitale computers
Digitale computers zijn de computers die we allen kennen uit het dagelijkse leven (en waar dit artikel ook op geschreven wordt). Digitale computers werken op basaal niveau met nul- en één toestanden, in de informatietechnologie aangeduid als bits. Acht bits vormen een byte. Digitale computers zijn gebaseerd op het manipuleren van deze elementaire aan- en uittoestanden met bijvoorbeeld AND, OR of XOR operaties.

Analoge computers werken fundamenteel anders. In een analoge computer wordt het wiskundige systeem waaraan berekeningen worden uitgevoerd, letterlijk nagebootst. Simpele analoge computers, zoals een rekenliniaal en het mysterieuze antieke Griekse Antikythera mechanisme vormden buiten het menselijk brein voor duizenden jaren de krachtigste computers die we kenden.

Elektrische analoge computers konden veel sneller dan digitale computers differentiaalvergelijkingen oplossen, die zo ongeveer in elke exacte natuurwetenschap het werkpaard vormen om processen te beschrijven. Een functie werd ingevoerd als een in de tijd variërende elektrische spanning, waarbij elke variabele werd ingevoerd met een eigen ingang. Het resultaat was de oplossing van de differentiaalvergelijking, in de vorm van een uitgangsspanning, die met bijvoorbeeld een oscilloscoop op een scherm werd geprojecteerd. Pas in de zestiger jaren verdwenen de elektrische analoge computers uit de onderzoekslaboratoria. De explosieve toename van de rekencapaciteit van digitale computers maakte ze overbodig: digitale computers zijn veel makkelijker te bedienen en te programmeren.

Rekenen met metamaterialen
Metamaterialen zijn materialen die opgebouwd zijn uit verschillende andere materialen en daardoor anders onmogelijke eigenschappen krijgen. Zo kan je met metamaterialen lenzen met een negatieve brekingsindex bouwen, wat met normale materialen onmogelijk is. Onderzoekers zijn er nu in geslaagd een metamateriaal te ontwikkelen, althans: theoretisch te simuleren, dat een invallende lichtgolf automatisch diffetrentieert, dat wil zeggen omrekent in zijn afgeleide. Een uitgaande lichtgolf dus, die de veranderingssnelheid van de ingaande lichtgolf voorstelt.  Erg handig: dit materiaal rekent vrijwel zonder energieverbruik en letterlijk met de snelheid van het licht, zonder dat (zoals in een digitale computer) de processor roodgloeiend wordt.

Blokje materiaal vervangt zware computer
Ook andere differentiaalberekeningen die nu enorm veel rekencapaciteit kosten, zoals het berekenen van de primitieve functie (omgekeerde differentiëring) of een convolutie kunnen zo werkelijk in een fractie van een nanoseconde verricht worden. Omdat dit materiaal ook zeer klein en compact vormgegeven kan worden, betekent dat dat in enkele millimeters materiaal het rekenwerk van een zware pc overgenomen kan worden. Dit betekent weer dat er zeer kleine besturingssystemen voor zeer kleine sensoren, apparaatjes of insectachtige minirobotjes, die reageren op simpele zintuiglijke invoer, gebouwd kunnen worden. Je hoeft dan alleen deze lichtbundels te combineren en wat simpele lichtcellen op de plekken te plaatsen waar ze de stroomvoorziening voor de motoren kunnen regelen.

Bronnen
A. Silva et al., Performing Mathematical Operations with Metamaterials, Science (2014)