Metapinnat ja uuden aikakauden langaton viestintä
Tulevaisuudessa dataa voitaisiin siirtää ultraohuilla metapinnoilla, jotka käsittelevät radioaaltoja nopeammin, tehokkaammin ja edullisemmin.
Sitten Marconin langattoman lennättimen ensimmäisistä kipinöistä nykypäivän salamannopeisiin matkapuhelinverkkoihin langaton viestintä on muokannut ihmisten tapoja olla yhteydessä toisiinsa.
Mutta digitaalisen elämämme laajentuessa – suoratoistona, havaitsemisena, navigointina ja kommunikointina miljardien laitteiden välillä – langaton infrastruktuurimme kamppailee pysyäkseen mukana. Teknologia, joka aikoinaan mullisti maailman, on nyt saavuttamassa rajansa nopeuden, monimutkaisuuden ja energiankulutuksen suhteen.
Professori Andrea Alù ja hänen Advanced Science Reserch Centerin (ASRC) Photonics Initiative -tiiminsä ovat kehittäneet uutta rohkeaa lähestymistapaa tähän globaaliin haasteeseen.
Hänen tiiminsä yhdessä Berliinin teknillisen yliopiston, Pariisin CNRS:n ja ETH Zürichin kollegoidensa kanssa on saanut erittäin kilpaillun 11,44 miljoonan dollarin Euroopan tutkimusneuvoston (ERC) synergia-apurahan, jonka tavoitteena on kuvitella uudelleen, miten langattomat järjestelmät lähettävät ja käsittelevät dataa – hyödyntäen radioaaltojen etenemisen fysiikkaa ja niiden vuorovaikutusta strukturoitujen pintojen eli metapintojen kanssa, jotka Alùn tiimi on kehittänyt uraauurtavana.
Langattoman tekniikan uudelleenajattelu alusta alkaen
Nykypäivän langattomat verkot perustuvat monimutkaisiin elektroniikkakerroksiin, jotka muuntavat radioaallot digitaaliseksi dataksi. Jokainen kerros kuluttaa virtaa ja lisää monimutkaisuutta. ERC:n rahoittama WePhICom-projekti – lyhenne sanoista Waves, Physics, Information and Computation – pyrkii virtaviivaistamaan tätä prosessia siirtämällä suuren osan signaalinkäsittelystä perinteisistä piireistä itse aaltoihin.
Avain piilee metapinnoissa, ultraohuissa materiaaleissa, joiden ominaisuudet ovat paljon pienempiä kuin niiden ohjaamien radioaaltojen aallonpituus. Nämä pinnat voidaan ohjelmoida taivuttamaan, fokusoimaan tai suodattamaan radiosignaaleja dynaamisesti, jolloin ne voivat käsitellä dataa ennen kuin se edes saavuttaa elektronisen sirun.
”Ryhmämme on tutkinut muutaman vuoden ajan, miten signaalinkäsittely voidaan suorittaa suoraan aaltoalueella”, sanoo Alù, Photonics Initiativen perustajajohtaja ja CUNY Graduate Centerin fysiikan ansioitunut Einstein-professori. ”Ohjaamalla radioaaltoja räätälöidyillä metapinnoilla voimme vähentää elektronisten piirien yleensä tekemää raskasta työtä – mikä tekee langattomista järjestelmistä nopeampia, mukautuvampia ja huomattavasti energiatehokkaampia.
Tämä Synergy-apuraha antaa meille mahdollisuuden hyödyntää alustavia demonstraatioitamme ja työskennellä maailman johtavien viestintä- ja informaatioasiantuntijoiden kanssa näiden edistysaskeleiden siirtämiseksi langattoman viestinnän uudelle aikakaudelle.”
Globaali tiimi globaalia haastetta varten
Synergy Grant on Euroopan tutkimusneuvoston (ERC) arvostettu rahoitusjärjestelmä, jonka tarkoituksena on tukea kunnianhimoisia, pioneeritutkimushankkeita, jotka vaativat jopa neljän päätutkijan yhteistyötä.
Näiden apurahojen tavoitteena on mahdollistaa uraauurtavia tieteellisiä löytöjä yhdistämällä toisiaan täydentäviä taitoja, tietoa ja resursseja monimutkaisten tutkimushaasteiden ratkaisemiseksi, joihin yksi tutkija ei voi yksinään vastata. Kaikille tieteenaloille avoin ERC Synergy -ohjelma edistää kansainvälistä yhteistyötä ja tukee tutkijoita merkittävällä rahoituksella tiedon rajojen venyttämiseksi.
WePhICom-projekti yhdistää neljä maailman johtavaa, erittäin monitieteistä tutkimusryhmää, joiden asiantuntemus kattaa fysiikan, tekniikan, tietoliikenteen ja laskennan: Alùn tiimi tekee tiivistä yhteistyötä tässä hankkeessa Giuseppe Cairen (Berliinin teknillinen yliopisto), Marco Di Renzon (CNRS Pariisissa) ja Christoph Studerin (ETH Zürichissä Sveitsissä) ryhmien kanssa.
Yhdessä tutkijat kehittävät teoreettiset perusteet, laitteistotason demonstraattorit, algoritmit ja tietoliikenne-/laskentaprotokollat, joita tarvitaan tämän konseptin toteuttamiseksi.
City University of New York ASRC johtaa projektin Fundamental Physics and New Devices component -osuutta, jota tuetaan 3,3 miljoonalla dollarilla kokonaisapurahasta.
”Tämä yhteistyö antaa meille mahdollisuuden yhdistää ideoita, jotka harvoin kohtaavat – aaltofysiikka, informaatioteoria ja edistynyt laskenta”, Alù sanoi. ”Se on ainutlaatuinen tilaisuus ylittää perinteiset rajat ja suunnitella alhaalta ylöspäin uusia viestintäjärjestelmiä, jotka ovat paitsi tehokkaampia myös kestävämpiä.”
Kohti älykkäämpiä ja vihreämpiä yhteyksiä
Maailmanlaajuisen datan kysynnän kasvaessa räjähdysmäisesti langattomat verkot kuluttavat yhä enemmän sähköä. Alan asiantuntijat varoittavat, että ilman uusia ratkaisuja tiedonsiirron energiajalanjälki voi pian muuttua kestämättömäksi.
WePhICom-tiimin visio tarjoaa tien eteenpäin. Käsittelemällä signaaleja radioaaltojen tasolla teknologia voisi vähentää tulevaisuuden viestintälaitteissa tarvittavien elektronisten komponenttien määrää – alentamalla kustannuksia, vähentämällä virrankulutusta ja lieventämällä ympäristövaikutuksia.
Käytännössä tämä voisi tarkoittaa älykkäämpää ja ympäristöystävällisempää 6G:tä ja sitä uudempia verkkoja – verkkoja, jotka pystyvät käsittelemään valtavia datamääriä sovelluksissa, kuten autonomisissa ajoneuvoissa, älykkäissä kaupungeissa ja globaaleissa tunnistusjärjestelmissä, samalla kun ne kuluttavat vähemmän energiaa.
”Jos tämä työ onnistuu, se määrittelee uudelleen tapamme ajatella yhteyksiä”, Alù sanoi. ”Emme ainoastaan paranna nykypäivän verkkoja – luomme perustan langattoman viestinnän seuraavalle vuosisadalle.”
Aiheesta aiemmin:
Digitaaliset metapinnat: Langattoman viestinnän uusi paradigma