Обработка сигналов eess.SP

Когда классический компьютер упирается в умножение двух гигантских матриц, задачу делят на мелкие блоки и рассылают десяткам серверов-помощников. Для конфиденциальных данных применяют криптографические уловки, чтобы помощники не видели исходных чисел. Обычно чем выше требуемая секретность, тем больше серверов приходится задействовать.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый кубит — музыкант, а управляющие сигналы — дирижёр. Если дирижёр машет палочкой неточно, музыканты сбиваются. В реальном устройстве сигналы проходят через усилители мощности — как через громкоговорители, которые добавляют шум и искажения.

Магнитное поле, которое нужно измерить, похоже на мелодию, исполняемую в шумном зале. Квантовый датчик — это микрофон, способный уловить самые тихие ноты, но и он слышит не только музыку: шорохи, скрипы, дыхание соседей. Всё это примешивается к сигналу и портит запись.

Каждое движение мысли оставляет след — слабый электрический всплеск на коже головы. Прибор с десятками проводов, похожий на шапочку для плавания, ловит эти следы и превращает их в волнистые линии. По ним можно догадаться, что человек чувствует, даже если он молчит. В новой работе три компьютерные программы соревновались, кто точнее прочитает такие линии и определит: настроение плохое, спокойное или хорошее.

Квантовые компьютеры обещают решать задачи, недоступные обычным машинам, но их сердце — кубиты — требует сверхнизких температур, близких к абсолютному нулю. Управлять кубитами и считывать их состояние обычно приходится из тёплой комнаты, протягивая через холодильник множество кабелей.

Электрокардиограмма — это как длинная лента, на которой сердце оставляет свой почерк. Врач разглядывает её, чтобы заметить сбои ритма, но когда запись длится несколько суток, лента растягивается на километры. Глаз устаёт, внимание рассеивается, и редкие, но опасные нарушения могут ускользнуть.

Два фонаря на далёком берегу ночью сливаются в одно пятно света. Так и обычная плоская антенна не может отличить два радиопередатчика, стоящих слишком близко друг к другу: их сигналы смешиваются, и приёмник видит лишь общую кашу. Инженеры нашли выход — они сделали антенну не плоской, а как стопку прозрачных пластин.

Кишечник разговаривает с врачом — но очень тихо. Урчание и бульканье длятся доли секунды и легко теряются среди звуков лёгких и сердца. Стетоскоп улавливает лишь малую часть, поэтому диагноз зависит от опыта и слуха конкретного врача. Носимый датчик SonicGuard, закреплённый на животе, слушает непрерывно и записывает каждый шорох. Затем в работу вступает алгоритм.

Человек спит, а его сердце продолжает рассказывать истории. Ритм ударов, паузы между ними, дыхательные волны — всё это меняется от стадии к стадии сна. В лаборатории сна это читают по множеству датчиков: на голове, лице, ногах, груди. Тяжело, дорого и непригодно для дома. Новая работа предлагает обойтись одним-единственным отведением ЭКГ — тем самым, что уже носят в холтеровских мониторах и нательных пластырях.

В кристалле можно запустить звук такой высокой частоты, что человеческое ухо его не услышит, — и заставить этот звук бегать по кругу, как поезд по кольцевой дороге. Инженеры взяли тонкую плёнку нитрида кремния, нанесли её на подложку из ниобата лития и вырезали в ней дорожки для звуковых волн.

Обычный радиоприёмник сравнивает пришедшую волну с опорной, чтобы вытащить из неё информацию. Атомы рубидия умеют делать это иначе: они сами становятся и антенной, и детектором. Но до сих пор им требовался дополнительный радиосигнал, который задавал бы точку отсчёта. Новая схема обходится без него.

Человек смотрит на мигающие буквы на экране, а компьютер угадывает, какую он выбрал, по всплеску мозговой активности. Это похоже на переводчика, который ловит не слова, а электрические сигналы мозга. Но у разных людей мозг «говорит» с акцентом: у одного сигнал яркий и чёткий, у другого — тихий и смазанный. Учёные решили разобраться, чем именно отличаются эти акценты.

Под городскими улицами лежит паутина из оптоволокна — сотни километров стеклянных нитей, по которым бежит интернет. Но точные карты этой паутины часто потеряны или устарели. Найти кабель под землёй — всё равно что искать на ощупь провод в стене, не зная, где он проходит. Новый метод превращает сам кабель в ухо. Оптоволокно, которое уже лежит в земле, улавливает малейшие колебания почвы.

Шесть взрослых три дня подряд приходили в лабораторию. В один день они просто отдыхали, в другой — крутили педали до изнеможения, а в третий — проходили через испытание, которое заставляет сердце колотиться без единого движения: им нужно было выступить с речью и решать задачи перед строгой комиссией.

Радиосигнал летит от Марса к Земле, но по дороге ему приходится пробираться сквозь невидимый «ветер» из заряженных частиц, который дует от Солнца. Этот ветер, как рябь на воде, слегка искажает радиоволны. В октябре 2021 года китайский зонд «Тяньвэнь-1» оказался за Солнцем, и его сигнал прошёл всего в 4,5 радиусах нашего светила — там, где ветер особенно плотный.

Оркестр, где каждый музыкант играет свою партию, но слышит только соседа. Стоит одному сбиться — волна ошибок катится по всему залу. Так работают машины Изинга — специальные устройства для решения задач, где нужно найти лучший вариант из множества. Их элементы-«спины» связаны между собой, и если обновлять их одновременно, они начинают мешать друг другу, как музыканты, вступившие не вовремя.

Человек слышит звон, которого нет. Врач просит описать его — громкость, высоту, постоянство. Но это субъективно: один скажет «как комар», другой — «как пар из чайника». Нужен способ увидеть тиннитус напрямую, в самом мозге. Электроэнцефалограмма (ЭЭГ) записывает электрические волны мозга с кожи головы — быстро и безболезненно, как микрофон улавливает звук.

Когда человек дышит, воздух идёт не ровной струёй, а волнами. Раньше врачи и учёные смотрели только на общие цифры: сколько воздуха вошло за вдох, какой был самый сильный поток. Но внутри одного вдоха есть свои нюансы — маленькие изменения, которые говорят о работе нервов и мышц. Новый подход разбирает вдох на части, как музыкант разбирает аккорд на отдельные ноты.

Когда нужно рассмотреть мозг изнутри, человека обычно кладут в тесную трубу магнитно-резонансного томографа или облучают рентгеном. Оба способа дороги, громоздки и не всегда доступны.

Десятки медных катушек в томографе ловят слабый отклик от тканей — как микрофоны, пытающиеся расслышать шёпот в шумном зале. Каждый микрофон тянет за собой толстый жгут проводов. Провода давят друг на друга, создают электрические помехи, греются и добавляют риск для пациента. Группа исследователей предложила заменить медный «клубок» на оптические волокна.

Беспроводные устройства насыщают радиоэфир множеством сигналов, которые интерферируют, создавая хаос, — аналогия: будто в комнате все одновременно заговорили. Исследователи разработали решение: адаптивные панели, по принципу действия сходные с акустическими плитками.

При разработке антенн для смартфонов инженерам необходим эталон — что-то вроде камертона для настройки музыкальных инструментов.

Базовая станция излучает радиоволны — электромагнитные колебания, переносящие информацию. Без специальной насадки антенна действует как садовый шланг, открытый на полную: вода летит во все стороны, но лишь малая часть попадает на грядки. Чтобы повысить эффективность, учёные создали систему с двумя нейросетями.

Рассмотрим ортогональную матрицу — таблицу чисел, где каждая строка и каждый столбец имеют единичную длину (сумма квадратов элементов равна 1). Поставим задачу: максимизировать сумму четвёртых степеней всех элементов. Решением оказываются исключительно матрицы перестановок со знаком — то есть преобразования, которые лишь переставляют координатные оси местами, иногда обращая их направление (меняя знак).

Классическая радиоинтерферометрия требует от антенн когерентного приёма: они регистрируют не только амплитуду (громкость), но и фазу волны — её мгновенное положение в цикле. Малейшая рассинхронизация — и направление на источник размывается. Новый метод отказывается от фазовой информации и опирается исключительно на силу сигнала.

В быстро движущемся транспорте мобильный интернет деградирует: сигнал, распространяющийся со скоростью света, испытывает доплеровское смещение — смазывается, подобно пейзажу за окном поезда. Инженеры разработали метод, позволяющий упаковывать данные плотнее, предотвращая их взаимное наложение.

Представьте комнату с глухим углом, куда звук не доходит. На стене висит умное зеркало: оно улавливает звук и переотражает его, делая скрытую область слышимой. По тому же принципу работают отражающие поверхности в беспроводной связи, перенаправляя радиоволны туда, где прямой сигнал слаб. Но если источник находится прямо перед вами, такое зеркало создаст лишь паразитное эхо, ухудшая связь.

В городской среде радиосигнал от базовой станции распространяется не по прямой, а многократно отражается от зданий — словно мячик, скачущий между стенами. Телефон принимает не один сигнал, а десятки его «отражений», каждое из которых приходит с небольшой задержкой.

Чтобы обнаружить эпилептический приступ в записи мозговой активности, учёные применили подход, напоминающий улавливание резких звуков в шумной комнате: вместо анализа всего хора сигналов мозговых волн (электроэнцефалограммы, ЭЭГ — метода регистрации электрической активности мозга), они сосредоточились только на самых сильных перепадах.

Трёхмерные миры состоят из миллионов полупрозрачных пятнышек — как гигантский гобелен, сотканный из светящихся капель. Чтобы передать такое полотно, обычно требуется много времени и мощный канал связи. SpeedyGS умещает его в крохотный файл, и оно разворачивается мгновенно, словно выдёргиваешь шнурок из мешка.

Представьте кухню с газовыми конфорками: каждая греет по-своему, и если повар переставит кастрюли, еда может подгореть. Так и в беспроводной сети: антенны-конфорки и пользователи-кастрюли требуют точной расстановки. Обычные нейросети не различают позиции, считая все конфорки одинаковыми, поэтому им трудно оценить качество связи или настроить передачу.

Пассивные датчики общаются, отражая радиоволны, словно эхо. Экономия энергии налицо, но множество отражений сливается в интерференционную «кашу». Это напоминает хор, где каждый певец твердит своё без дирижёра. Новый подход каждому датчику задаёт особый ритм — цифровой код. Приёмник, как опытный хормейстер, различает партии по этому ритму, даже если сигналы приходят одновременно.

Активное шумоподавление рождает «антизвук» — волну в противофазе, чтобы погасить нежелательный шум. Но стандартные системы слепы: они не знают, откуда приходит звук. В помещениях, где звук мечется эхом, это подобно боксу с завязанными глазами — глушишь вслепую, часто невпопад.

Нейроморфные чипы функционируют по принципам, отличным от классических компьютеров, построенных по архитектуре фон Неймана с раздельными блоками памяти и процессора.

Оптоволоконные линии связи передают информацию с помощью света различных длин волн — по сути, разных цветов. Эти лучи распространяются почти со скоростью света в вакууме, но в стеклянной сердцевине волокна их скорость чуть ниже.

Передатчик отправляет лишь грубый набросок сообщения — как художник, рисующий контуры без деталей. На приёме искусственный интеллект, подобно опытному реставратору, восстанавливает полную картину, очищая её от помех. Так устроена технология LiTCom, которая меняет правила игры в будущих сетях 6G.

Когда вы набираете «салат», а интеллектуальная клавиатура предлагает «цезарь», за кулисами миллионы телефонов совместно обучаются предсказывать слова. Они обмениваются не вашими сообщениями, а лишь улучшениями общего алгоритма — подобно тренеру, который рассылает спортсменам только изменения в плане тренировок: «добавьте 5 отжиманий к вчерашней программе».

Радиоволны от смартфона, распространяющиеся со скоростью света — около 300 000 км/с в вакууме, — легко отражаются от стен и углов, теряя энергию. Умные поверхности — это программируемые зеркала, состоящие из множества микроскопических отражателей: они улавливают рассеянный сигнал и перенаправляют его точно к цели, словно ловкий фокусник, заставляющий луч обходить преграды.

Анализ данных в интернете или сенсорных системах долго напоминал попытку дирижировать оркестром, где каждый музыкант заперт в своей будке, а дирижёр не может покинуть пульт.

Когда радиоволна встречает на пути здание, она не просто отражается или поглощается — она огибает его, подобно тому как морские волны обтекают скалу, оставляя за ней спокойную воду. В радиофизике это явление создаёт радиотень — сложный узор из зон усиления и ослабления сигнала, который учёные называют радиопортретом.