Физики разработали сеть с пассивным фильтрованием шума

Физики разработали сеть с пассивным фильтрованием шума

Физики из США и Германии теоретически показали, что из осцилляторов с произвольными параметрами можно построить такую сеть, которая будет пассивно выравнивать определенные типы шумов. Оказалось, что для выравнивания сильно скоррелированных шумов сеть должна быть плотной, а для слабо скоррелированных шумов — разреженной. В последнем случае строение сети напоминает прожилки листа. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Сети повсеместно встречаются в природе и технике — например, водопроводная и электрическая сеть доставляют в наши дома воду и электроэнергию, а нервная и сердечно-сосудистая система проводят нейронные импульсы и снабжают клетки кислородом. Очень часто потоки на концах сети не постоянны, но меняются во времени и пространстве. Из-за этого эффективность сети снижается, а при особенно сильных перепадах она может не справиться с перегрузкой и выйти из строя. Известным примером отказа сети из-за неравномерной нагрузки может служить блэкаут — нарушение работы электросети в результате аварии. Другой хороший пример — это тиннитус (звон в ушах), который также возникает из-за неравномерной нагрузки на слуховую сенсорную систему.

В настоящее время инженеры умеют выравнивать неравномерный сигнал, поступающий на входы сети, с помощью систем активного контроля. Например, системы активного шумоподавления накладывают на звуковые колебания волны с такой же амплитудой и частотой, но противоположной фазой, тем самым выравнивая сигнал. Тем не менее, несколько лет назад ученые обнаружили, что некоторые устройства умеют пассивно выравнивать сигнал — в частности, такими способностями обладает изолированный осциллятор. К сожалению, до сих пор физики не могли перенести эти свойства на случай сети, которая перераспределяет нагрузку между узлами. Если бы исследователям это удалось, они смогли бы во много раз повысить стабильность сетей без больших финансовых затрат.

Группа ученых под руководством Хенрика Ронелленфича (Henrik Ronellenfitsch) теоретически показала, что из затухающих осцилляторов с произвольными параметрами всегда можно построить такую сеть, которая будет пассивно выравнивать сигнал, подаваемый на ее входы. Единственное условие, которое физики накладывали на коэффициенты — это симметричность; другими словами, ученые считали, что в каждой паре осцилляторы одинаково откликаются на воздействие со стороны соседа (конечно, если эти узлы связаны между собой). Выравнивающие способности такой сети определяются усредненным по времени квадратом отклонения положения осцилляторов от равновесных значений. Теоретически, эту величину можно сделать сколь угодно малой, неограниченно увеличивая коэффициенты связи между всеми узлами. Фактически, в этом пределе покоящиеся осцилляторы немедленно «гасят» колебания соседей, на которые поступает случайный сигнал. Тем не менее, на практике неограниченного усиления достичь невозможно. Поэтому ученые наложили на коэффициенты дополнительное условие постоянной стоимости — предположили, что затраты на создание связи пропорциональны степени α от ее силы, а суммарная стоимость сети не должна превышать определенной суммы, пропорциональной количеству ее узлов.

Исходя из таких предположений, ученые разработали алгоритм, который итеративно (шаг за шагом) строит сеть, выравнивающую некоторые типы шумов. Для определенности исследователи рассматривали треугольные сетки и полагали число узлов равным 100. Такой алгоритм начинает с произвольной конфигурации связей между узлами, а потом присоединяет к ним новые узлы или отсоединяет старые, минимизируя стоимость и средний квадрат отклонения осцилляторов. Вообще говоря, для этого нужно решать систему дифференциальных уравнений или вычислять след от произведения матриц, описывающих шум и граф системы (формализм Ланжевена). Для простоты ученые считали, что пространственная и временна́я зависимости шумов расщепляются, то есть не влияют друг на друга. В качестве временно́го шума физики выбрали шум Орнштейна—Уленбека (Ornstein-Uhlenbeck noise), а в качестве пространственного — гауссов шум. Первый тип шума определяется корреляционным временем τ, второй — корреляционной длиной σ. В пределе τ → 0 или σ → 0 корреляции в обоих типах шума полностью пропадают.

В результате ученые обнаружили, что в зависимости от значений параметров τ, σ и α связи сети выстраиваются в одну из трех основных картин. Если шумы сильно скоррелированы во времени или пространстве (то есть параметры τ и σ не малы), то сеть получается сильно разреженной. В этом случае поток стекается по «узким» каналам слабой связи к «широкому» каналу сильной связи, который замыкается сам на себя. В результате получается картина связей, которая напоминает прожилки листа. С другой стороны, если шумы скоррелированы слабо, поток распространяется по плотной системе узких каналов. В обоих случаях системы эффективно подавляли шумы, практически до нуля снижая средний квадрат отклонений осцилляторов от равновесного значения.

Затем физики изготовили настоящий магнитный диод, основанный на этом эффекте. Для удобства ученые заменили полубесконечную плоскость U-образным круглым медным проводником — неограниченно долго поддерживать вращение легче, чем поступательное движение. Одну из катушек исследователи поместили внутрь проводника, а другую — строго под его основанием. Так же как и в случае плоскости, численное моделирование подтверждало, что «изолированность» в такой системе зависит от скорости вращения и может неограниченно расти. Чтобы экспериментально подтвердить этот эффект, ученые подавали на внутреннюю катушку переменный ток с частотой около девяти герц и измеряли напряжение на второй катушке в зависимости от частоты вращения проводника. Как и ожидалось, при достаточно большой частоте вращения сигнал на принимающей катушке пропадал, причем «критическая» частота увеличивалась при отдалении катушки от проводника.

Наконец, исследователи напрямую подтвердили нарушение принципа взаимности, измерив взаимные индуктивности катушек M12 и M21. Вторая катушка была удалена от основания проводника на 13 миллиметров, «критическая» частота в этом случае составляла примерно 35 герц. Для покоящегося проводника обе индуктивности были равны M12 = M21 ≈ (22+3i) наногенри. Однако при вращении проводника с частотой, близкой к критической, индуктивности составляли M12 ≈ (0+2i) наногенри и M21 ≈ (36+0i) наногенри. Все измерения проводились с погрешностью около 0,6 наногенри. Таким образом, принцип взаимности действительно нарушался.

Авторы статьи отмечают, что их разработку пока еще нельзя применить на практике — установка громоздка и сложна в изготовлении, а наблюдаемый эффект слишком мал. Тем не менее, ученые считают, что похожими свойствами должны обладать и другие, менее громоздкие системы. Например, они предлагают заменить металлический проводник графеном, в котором плотность тока достигает 108 ампер на квадратный сантиметр, а электроны движутся со скоростями, близкими к скорости света. Поскольку средняя скорость электронов накладывает самые сильные ограничения на величину эффекта, в графене он должен проявляться гораздо сильнее, чем в меди. Возможно, в будущем физики смогут построить более компактные магнитные диоды на основе графена.

Физики часто используют метаматериалы с необычными свойствами, чтобы изготовить «диоды» для потоков самых разных величин. Например, в феврале 2017 года физики из США и Нидерландов разработали метаматериал-диод для механической нагрузки, который растягивается в одну сторону и блокирует смещение в противоположном направлении. В октябре 2015 китайские инженеры напечатали акустический диод. А в сентябре 2015 китайские физики построили водяной диод — микрофлюидное устройство, которое пропускает воду только в одном направлении.

N+1

Похожие новости:
Физики разработали фемтосекундную микроскопию для электромагнитных полей
Физики из Университета Людвига Максимилиана разработали новую методику электронной микроскопии, которая позволяет увидеть сверхбыстрые колебания электромагнитного поля. Ученые проверили ее, проанализировав изменения в электронном поле, которые происходят при взаимодействии метаматериалов с видимым светом. По словам авторов, новый метод микроскопии ..
2016-07-25 2067 0 Технология
0
Проблема плохой связи вскоре будет решена
Независимо от количества релейных станций, покрытия вашего города, качество сигнала мобильного телефона может падать весьма значительно - иногда это вопрос нескольких метров. Исследователи из Массачусетского технологического института полагают, что их система Коррекции ошибок является решением этой ..
2012-02-15 1386 0 Технология
0
Физики создали аналог раздевающих сканеров для молекул
Физики из университетов Питтсбурга и Висконсин-Мэдисон разработали микроскопические излучатели и детекторы, которые позволяют создать аналог аэропортового сканера безопасности для индивидуальных молекул. Прибор позволит изучать их свойства в терагерцовом диапазоне. Работа опубликована в журнале Nano Letters, кратко о ней можно ..
2013-08-6 1288 0 Технология
0
Физики разработали графеновый транзистор
Физики из Швеции и Германии представили прототип транзистора на основе графена и соединения кремния и углерода, которому не требуются металлические электроды. По словам ученых, роль электродов играют полоски графена, соединенные с карбидом кремния, являющимся полупроводником.По словам исследователей, функции ..
2012-07-19 1687 0 Технология
0
Ученые разработали микроскопический датчик силы
Физики из России, Белоруссии и Испании разработали микроскопический датчик силы, в своем устройстве использующий углеродные нанотрубки. Описание датчика представлено к публикации в журнале Computational Materials Science, с ее кратким содержанием можно ознакомиться на сайте Московского физико-технического института. Устройство представляет ..
2014-07-01 1452 0 Технология
0
В США создали самые стабильные в мире атомные часы
Физики из Национального института стандартов и технологий (США) побили рекорд стабильности работы атомных часов. Исследование опубликовано в журнале Nature Photonics, кратко о нем сообщает издание EurekAlert!«Мы устранили критический тип шума в процессе работы часов, эффективно делая тактовый ..
2016-11-29 2301 0 Технология
0
Ученые США создают тихий асфальт
Высокий уровень фонового шума в современных городах стал серьезной проблемой. И основной вклад в его создание вносит транспорт. Шум производят как сами автомобили, так и дорожное покрытие при контакте с покрышками,сообщает «WordScience.org». Разработкой “тихого” покрытия человечество озабочено уже давно. Это не так просто: материал с более ..
2012-06-17 1568 0 Технология
0
Новосибирские ученые разработали стандарт измерения наноматериалов
Новосибирские ученые из Института физики полупроводников имени Ржанова разработали стандарт измерений для наноматериалов. Об этом сообщает «Интерфакс» со ссылкой на старшего научного сотрудника института Сергея Косолобова. «Мы создали эталонный объект, его зарегистрировали в Государственном реестре средств измерений РФ, он используется, ..
2015-05-05 1348 0 Технология
0
Физики создали рекордно быструю вспышку света
Физики из Университета Центральной Флориды и Института физики Китайской академии наук разработали технологию, позволяющую создавать вспышки лазерного света длительностью всего около 53 аттосекунд. Это настолько короткие промежутки времени, что свет успевает преодолеть за них тысячную долю толщины ..
2017-08-14 14563 0 Технология
0
Томские ученые создали нанокерамику со свойствами природной кости
Ученые Института физики прочности и материаловедения (ИФПМ СО РАН) и Томского госуниверситета (ТГУ) разработали нанокерамический аналог природной кости, протезы из которого не отторгаются организмом, рассказал РИА Новости заведующий кафедрой прочности и проектирования физико-технического факультета ТГУ Сергей Кульков. По его словам, ..
2014-02-28 1359 0 Технология
0
Иттербиевые атомные часы поставили рекорд стабильности
В Национальном институте стандартов и технологий (NIST) в США хранятся самые стабильные в мире часы. Они измеряют время благодаря колебаниям атомов иттербия, которые выполняют роль своеобразного маятника или метронома. Точность их настолько высока, что если бы часы завели в момент Большого ..
2013-08-25 1597 0 Технология
0
Канада начала испытания прототипа бесшумного снегохода
Вооруженные силы Канады в обстановке секретности испытывают прототип бесшумного снегохода для спецопераций в Арктике, сообщило в воскресенье Canadian Press со ссылкой на документы, полученные из министерства обороны в соответствии с Законом о свободе информации. Снегоход, на создание которого уже затрачено 620 тыс. долларов, получил ..
2013-08-19 1260 0 Технология
0
Светодиоды научились излучать запутанный свет
Физики из Университета Торонто разработали схему работы светодиодов, которые за счет дополнительного сверхпроводящего слоя излучают запутанные фотоны. Работа опубликована в журнале Physical Review B, ее препринт можно найти в arxiv.org, кратко содержание статьи приводится на сайте университета. Обычные ..
2014-03-21 1403 0 Технология
0
Физики побили рекорд дальности квантового шифрования
Китайские физики реализовали один из алгоритмов квантовой криптографии на рекордных дистанциях — свыше 400 километров. Это примерно на 100 километров превосходит предыдущий рекорд. Однако скорость генерации ключа для шифрования на таких дистанциях невелика — за три месяца эксперимента авторам удалось передать лишь ..
2016-06-30 1373 0 Технология
-1
Большой взрыв предложили использовать для шифрования данных
Физики из США предложили использовать реликтовое излучение (остаточное излучение от Большого взрыва) для изготовления ключей шифрования. Свои идеи они изложили в журнале препринтов arXiv, а коротко о них сообщает New Scientist.Взломоустойчивость многих способов шифрования зависит от генерирования длинных случайных чисел, выступающих ..
2016-01-21 1197 0 Технология
0