Australische Wissenschaftler haben einen analogen Computer in Form einer Wasserrutsche geschaffen, in dem Informationen in einem Soliton gespeichert sind – einer Oberflächenwelle, die sich in einem nichtlinearen Medium ausbreitet und gleichzeitig ihre Form und Geschwindigkeit behält. Mit diesem Computer lässt sich das chaotische Verhalten komplexer Systeme vorhersagen. Dies wird in einem Artikel berichtet, der in der Zeitschrift Europhysics Letters veröffentlicht wurde.

Ein Analogrechner basiert auf den sogenannten Reservoirberechnungen, bei denen die interne nichtlineare Dynamik eines Mediums für komplexe Berechnungen genutzt wird. Das biologische Gehirn kann als solches Reservoir dienen, in dem die nichtlineare Dynamik neuronaler Aktivität genutzt wird, um das chaotische Verhalten komplexer Systeme vorherzusagen. Neuronen bilden ein Netzwerk zufälliger Verbindungen, das zeitlich veränderliche Signale in ein bestimmtes Muster (Muster) von Aktivitäten umwandelt.

Ein Reservoir, das auch nur aus einer kleinen Anzahl von Neuronen besteht, löst bestimmte praktische Probleme effizienter als ein Computerprogramm, das auf einem Supercomputer läuft. Die Wissenschaftler schlugen vor, dass ein bestimmtes Muster, das von einem zeitlich variierenden Signal (Zeitreihe) abhängt, als Soliton dargestellt werden kann und das Reservoir in diesem Fall Wasser ist, das eine geneigte Oberfläche hinunterfließt. Bisher gab es jedoch keine experimentelle Umsetzung einer solchen Idee.

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In der neuen Studie stellten die Wissenschaftler das zeitlich variierende Signal als eine Reihe von Einsen und Nullen dar. In diesem Fall entspricht die Einheit dem sich ändernden Druck von Wasser, das 0,25 Sekunden lang aus dem Schlauch auf eine geneigte Fläche verschüttet wird, und Null entspricht einem konstanten Druck für 0,25 Sekunden. Die gewählten Zeitintervalle sind optimal für die Solitonenerzeugung auf der Oberfläche fließender Gewässer.

Eine Reihe abwechselnder Nullen und Einsen erzeugt Solitonen, die in gleichen Abständen voneinander getrennt sind, und ein Signal in Form einer Zufallsreihe erzeugt ein komplexes Profil verschiedener Wellen, deren Höhe nicht immer mit Nullen und Einsen übereinstimmt. Dies liegt daran, dass Wellen mit hoher Amplitude auf Wellen mit niedriger Amplitude treffen und diese absorbieren. Dieses Prinzip liegt dem Speicher eines analogen Computers zugrunde und ähnelt einem System von Neuronen, die Spuren früherer Aktivitäten speichern, die sich auf die Verarbeitung neuer Eingabedaten auswirken. Um die Aktivität von 40 Neuronen zu simulieren, wurde das eine Zufallsreihe darstellende Solitonensignal in kleine diskrete Schritte unterteilt.

Zur Visualisierung der Wellen wurden ein Lumineszenzfarbstoff und eine Spezialkamera verwendet. Zum Testen des Reservoircomputers wurden Mackey-Glass-Zeitreihen verwendet, die sich durch nichtlineares chaotisches Verhalten auszeichnen und zur Beschreibung des zyklischen Betriebs komplexer biologischer Systeme (z. B. zirkadianer Rhythmen) dienen. Diesmal änderte sich der Druck des Wassers nicht impulsartig, sondern kontinuierlich. Das aus der ersten Hälfte des Eingabedatensatzes erhaltene Solitonenprofil ermöglichte es den Wissenschaftlern, jeden nächsten Schritt in der chaotischen Zeitreihe aus der zweiten Hälfte des Satzes mithilfe von Informationen aus den vorherigen Schritten mit hoher Genauigkeit vorherzusagen.