L'idée simple sous-jacente à la conception du circuit est de relier entre eux des oscillateurs en anneau ayant des longueurs égales aux plus petits nombres premiers impairs, comme 3, 5 et 7 (en haut). Même une simple somme entre des ondes sinusoïdales ayant de telles périodes donne un signal d'apparence compliquée (en bas), mais les interactions entre oscillateurs réels conduisent à un scénario beaucoup plus riche. Crédit :Ludovico Minati
Des chercheurs de l'Institut de technologie de Tokyo ont trouvé un moyen simple, encore un moyen très polyvalent de générer des "signaux chaotiques" avec diverses fonctionnalités. La technique consiste à interconnecter trois oscillateurs en anneau, en les mettant effectivement en compétition les uns contre les autres, tout en maîtrisant leurs forces respectives et leurs liens. L'appareil résultant est plutôt petit et efficace, donc adapté aux applications émergentes telles que la réalisation de réseaux sans fil de capteurs.
La capacité de recréer les signaux trouvés dans les systèmes naturels, comme ceux du cerveau, essaims, et la météo, est utile pour comprendre les principes sous-jacents. Ces signaux peuvent être très complexes, comme dans le cas extrême des signaux dits chaotiques. "Chaos" ne veut pas dire hasard ; il s'agit d'un type d'ordre très compliqué. Des changements minimes dans les paramètres d'un système chaotique peuvent entraîner des comportements très différents. Les signaux chaotiques sont difficiles à prévoir, mais ils sont présents dans de nombreux scénarios.
Malheureusement, la génération de signaux chaotiques avec les caractéristiques souhaitées est une tâche difficile. Les créer numériquement est dans certains cas trop gourmand en énergie, et des approches basées sur des circuits analogiques sont nécessaires. Maintenant, chercheurs au Japon, L'Italie et la Pologne proposent une nouvelle approche pour créer des circuits intégrés pouvant générer des signaux chaotiques. Cette recherche est le résultat d'une collaboration entre des scientifiques du Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), en partie financé par la World Research Hub Initiative, les universités de Catane et de Trente, Italie, et l'Académie polonaise des sciences de Cracovie, Pologne.
Schéma du circuit oscillateur chaotique proposé, dans lequel les forces des oscillateurs en anneau et leurs liaisons sont commandées indépendamment, et sa mise en page prototype (en haut). Exemples de trois signaux générés ayant des qualités assez différentes :fluctuations d'amplitude de cycle, trains à pointes, et le bruit (en bas). Crédit :Ludovico Minati
L'équipe de recherche est partie de l'idée que les cycles dont les périodes sont définies par des nombres premiers ne peuvent pas développer une relation de phase fixe. Étonnamment, ce principe semble avoir émergé dans l'évolution de plusieurs espèces de cigales, dont les cycles de vie suivent des nombres premiers d'années pour éviter de se synchroniser entre eux et avec les prédateurs. Par exemple, tente de lier ensemble des oscillateurs avec des périodes définies sur les trois premiers nombres premiers (3, 5 et 7) donne des signaux très compliqués, et le chaos peut être facilement généré (Fig. 1).
La conception est partie de l'oscillateur le plus traditionnel des circuits intégrés, l'oscillateur en anneau, qui est petit et ne nécessite pas de composants réactifs (condensateurs et inducteurs). Un tel circuit a été modifié pour que les forces des oscillateurs en anneau ayant trois, cinq et sept étapes pourraient être contrôlées indépendamment, ainsi que l'étroitesse de leurs liens. L'appareil pourrait générer des signaux chaotiques sur un large spectre de fréquences, des fréquences audibles à la bande radio (1 kHz à 10 MHz). "De plus, il pourrait le faire à une consommation d'énergie plutôt faible, en dessous d'un millionième de watt, " explique le Dr Hiroyuki Ito, chef du laboratoire où le prototype a été conçu.
Encore plus remarquable a été la découverte que des types de signaux totalement différents pouvaient être générés en fonction des caractéristiques légèrement différentes des prototypes individuels (Fig. 2). Par exemple, les chercheurs ont enregistré des trains de pointes assez similaires à ceux trouvés dans les neurones biologiques. Ils ont également trouvé des situations dans lesquelles les anneaux "se combattaient" au point de supprimer presque complètement leur activité :ce phénomène est appelé "mort par oscillation".
Le circuit intégré a été conçu comme une minuscule "cellule" d'environ 200 à 100 m de large (à gauche), et son premier prototype a été logé sur une carte de test fournissant toutes les fonctions de support nécessaires (à droite). Crédit :Hiroyuki Ito et Ludovico Minati
"Ce circuit tire sa beauté d'une forme et d'un principe vraiment essentiels, et la simplicité est la clé pour réaliser de grands systèmes fonctionnant collectivement de manière harmonieuse, surtout quand il s'enrichit de petites différences et imperfections, tels que ceux trouvés dans les circuits réalisés, " dit le Dr Ludovico Minati, auteur principal de l'étude.
La découverte a de nombreuses applications possibles. Les chercheurs travailleront à intégrer ce circuit à des capteurs pour mesurer les propriétés chimiques du sol, par exemple. En outre, ils créeront des réseaux de ces oscillateurs sur des puces informatiques uniques interconnectées pour ressembler à des circuits neuronaux biologiques. Ils espèrent réaliser certaines opérations en consommant beaucoup moins d'énergie qu'un ordinateur traditionnel.
