Synchroniser le chaos à travers une tranche étroite du spectre

La notion abstraite que le tout peut être trouvé dans chaque partie de quelque chose a longtemps fasciné les penseurs engagés dans tous les domaines de la philosophie et de la science expérimentale, d’Emmanuel Kant sur l’essence du temps à David Bohm sur la notion d’ordre, et du soi – similarité des structures fractales aux propriétés définissantes des hologrammes.

Elle est cependant restée naturellement étrangère à l’ingénierie électronique, qui s’efforce de développer des circuits toujours plus spécialisés et performants échangeant des signaux possédant des caractéristiques très contrôlées. En revanche, dans les systèmes complexes les plus divers de la nature, tels que le cerveau, la génération d’activités ayant des caractéristiques qui se présentent de manière similaire sur différentes échelles temporelles, ou fréquences, est une observation presque omniprésente.

Dans une quête pour explorer de nouvelles approches peu orthodoxes de conception de systèmes capables de résoudre des problèmes de calcul et de contrôle difficiles, les physiciens et les ingénieurs ont, pendant des décennies, étudié des réseaux constitués d’oscillateurs chaotiques. Ce sont des systèmes qui peuvent être facilement réalisés en utilisant des composants électroniques, optiques et mécaniques analogiques.

Leur propriété frappante est que, bien qu’ils soient assez simples dans leur structure, ils peuvent générer des comportements qui sont, en même temps, incroyablement complexes et loin d’être aléatoires.

« Le chaos implique une extrême sensibilité aux conditions initiales, ce qui signifie que l’activité à chaque instant est effectivement imprévisible. Cependant, un aspect crucial est que les arrangements géométriques des trajectoires générées par les signaux chaotiques ont des propriétés bien définies qui, parallèlement à la distribution de fréquences, sont plutôt stables et reproductibles. Étant donné que ces caractéristiques peuvent changer de plusieurs façons en fonction de la tension d’entrée ou des réglages de paramètres comme une valeur de résistance, ces circuits sont intéressants comme base pour réaliser de nouvelles formes de calcul distribué, par exemple, basé sur lectures des capteurs », explique le Dr Ludovico Minati, auteur principal de l’étude.

« Dans nos travaux récents, nous avons montré qu’ils pouvaient être utilisés efficacement pour réaliser le type de réservoirs physiques qui peuvent simplifier la formation des réseaux de neurones », ajoute M. Jim Bartels, doctorant à l’unité Nano Sensing, où l’étude a été menée.

Lorsque deux oscillateurs chaotiques ou plus sont couplés ensemble, les comportements les plus intéressants émergent lorsqu’ils attirent et repoussent leurs activités tout en essayant de trouver un équilibre, d’une manière à laquelle les oscillateurs périodiques habituels ne peuvent tout simplement pas accéder. « Il y a deux ans, des travaux effectués dans notre laboratoire ont démontré que ces comportements pouvaient, au moins en principe, être utilisés comme moyen de recueillir des lectures de capteurs distants et de fournir directement des statistiques telles que la valeur moyenne », ajoute le Dr Ludovico Minati.

Cependant, la nature complexe des signaux chaotiques implique qu’ils présentent généralement des spectres de fréquences larges, qui sont très différents de ceux, étroits et bien délimités, qui sont généralement utilisés dans les communications sans fil modernes. « En conséquence, il devient très difficile, voire impossible, de réaliser des couplages par voie hertzienne. Non seulement parce que les antennes sont souvent très réglées sur des fréquences spécifiques, mais aussi et surtout parce que les réglementations radio n’autorisent la diffusion que dans des limites bien définies. régions », explique M. Boyan Li, étudiant en master et deuxième auteur de l’étude.

À ce jour, il existe un corpus substantiel de littérature couvrant les nombreux effets qui peuvent survenir dans des ensembles d’oscillateurs chaotiques. Par exemple, de petits groupes de nœuds qui se synchronisent préférentiellement les uns avec les autres peuvent apparaître, un peu comme des groupes de personnes réunis lors d’une fête, ainsi que des interdépendances distantes inattendues qui nous rappellent le problème de liaison dans le cerveau.

Cependant, étonnamment, presque aucune étude n’a envisagé la possibilité (ou non) de coupler des oscillateurs chaotiques via un mécanisme, essentiellement un filtre, qui ne transfère qu’une plage étroite de fréquences. Pour cette raison, les chercheurs de Tokyo Tech ont décidé d’explorer le comportement d’une paire d’oscillateurs chaotiques. Ils les ont couplés à l’aide d’un filtre qu’ils pouvaient facilement régler pour ne laisser passer qu’une gamme étroite de fréquences, tout en conservant pour le moment une connexion filaire entre eux.

« Nous avons décidé d’utiliser un type d’oscillateur chaotique extraordinairement simple, n’impliquant qu’un transistor et une poignée de composants passifs, et connu sous le nom d’oscillateur Minati-Frasca. Cette famille d’oscillateurs a été introduite il y a environ cinq ans par des chercheurs italiens et Pologne, et possède de nombreuses propriétés remarquables, comme indiqué dans un livre récent. Récemment, nous nous sommes intéressés à les comprendre et à leurs nombreuses applications potentielles », explique le Dr Hiroyuki Ito, responsable de l’unité Nano Sensing où l’étude a été menée.

Sur la base de simulations et de mesures, l’équipe de recherche a pu démontrer qu’il est en fait possible de synchroniser ces oscillateurs même sans transférer l’intégralité du large spectre, mais juste une « tranche » relativement étroite de celui-ci. Ils aiment comparer cela à une situation où le tout se trouve, au moins partiellement, dans une partie.

Lorsqu’ils fonctionnent dans la région inférieure des gigahertz, à proximité de l’endroit où fonctionnent les appareils sans fil de première génération, les oscillateurs peuvent se synchroniser en ne transmettant que quelques points de pourcentage de la bande passante. Comme prévu, la synchronisation n’était pas complète, ce qui signifie que les oscillateurs ne suivaient pas complètement l’activité de l’autre.

« Cette sorte d’interdépendance incomplète, ou faible, est précisément la région où les effets les plus intéressants peuvent apparaître au niveau d’un réseau de nœuds. C’est assez similaire entre les oscillateurs et les neurones, comme l’a montré l’un de nos précédents travaux. mécanismes qui représentent la prochaine frontière pour la mise en œuvre d’un calcul distribué basé sur des comportements émergents, que de nombreux groupes de recherche dans le monde poursuivent », ajoute le Dr Mattia Frasca de l’Université de Catane en Italie, qui a initialement co-découvert ces circuits avec le Dr Minati, plus tard analysant ensemble leurs comportements et leurs relations avec d’autres systèmes dans la nature, et fourni plusieurs fondements théoriques qui ont été utilisés pour l’étude par les chercheurs de Tokyo Tech.

Les chercheurs ont observé que si une tranche étroite du spectre était suffisante pour obtenir une synchronisation détectable, l’emplacement central et la largeur du filtre avaient des effets importants. En utilisant une multitude de techniques d’analyse, ils ont pu voir que sur certaines régions, l’activité de l’oscillateur esclave suivait le réglage du filtre de manière évidente, alors que dans d’autres, des effets différents et plutôt plus complexes apparaissaient.

« C’est un bon exemple de la richesse des comportements disponibles pour ces circuits, qui restent peu connus dans la communauté de l’ingénierie électronique. C’est assez différent par rapport aux réponses plus simples des systèmes périodiques, qui sont verrouillés ou non les uns aux autres. Il reste encore beaucoup de chemin à parcourir avant de pouvoir réellement réaliser des applications efficaces à partir de ces phénomènes, il faut donc dire qu’il s’agit de recherche fondamentale en ce moment, mais il est très fascinant de penser que dans le futur, nous pourrons réaliser certains aspects de détection utilisant également ces approches inhabituelles », ajoute Zixuan Li, doctorant et co-auteur de l’étude.

Après cet entretien, l’équipe a expliqué que ce type de recherche devra d’abord être prolongé en comprenant plus profondément les phénomènes et comment ils peuvent être utilisés pour générer une activité collective intéressante. Ensuite, les deux principaux défis d’ingénierie seront de démontrer les couplages sur une liaison sans fil réelle, tout en répondant à toutes les exigences radio, et de minimiser considérablement la consommation d’énergie, en utilisant également certains résultats de leurs recherches précédentes.

« Si des solutions efficaces sont trouvées à ces défis, alors l’un de nos principaux objectifs est de démontrer une détection distribuée utilisable dans des applications importantes pour la société, telles que la surveillance de l’état des terres dans l’agriculture de précision », conclut le Dr Hiroyuki Ito. La méthodologie et les résultats sont rapportés dans un article récent publié dans Chaos, solitons et fractaleset tous les enregistrements expérimentaux ont été rendus librement disponibles pour que d’autres puissent les utiliser dans des travaux futurs.