Громкая музыка по ночам или работающая дрель в выходные — источники акустического шума, который не представляет интерес для ученых, в отличие от хаотического шума. Чтобы понять разницу между ними, представьте рояль. Нажимая одну клавишу, получатся акустическая волна из одного тона, характеризуемая набором частот. Добавляя вторую клавишу, увеличивается количество тонов и соответственно частот. Но даже задействовав все клавиши рояля разом, все равно прозвучит акустическая волна с конечным количеством частот. Но если представить музыкальный инструмент с бесконечным количеством клавиш, которые слегка отличаются по звуку и частоте, и одновременно нажать их все, получится не акустический, а хаотический шум, интересующий физиков.
Однако бывает непросто создать источник хаотического шума, который способен перестраиваться под разные задачи. Ученые международного научно-образовательного центра физики наноструктур ИТМО в сотрудничестве с коллегами из Института проблем машиноведения РАН исследовали, как нестационарные топологические дефекты в слое жидких кристаллов можно использовать в качестве источника полезного хаотического шума.
Прочитайте также:
Жидкие кристаллы широко используются в технике, например для создания телевизионных дисплеев с яркой контрастной картинкой. Но в таких материалах также можно реализовать эффекты электрогидродинамических нестабильностей. Это способность создавать хаотические потоки жидкости внутри кристалла под воздействием электричества. Именно эта способность и заинтересовала ученых ИТМО.
«Когда к жидкому кристаллу подается напряжение, в его слое потоки жидкости начинают протекать в абсолютно случайном порядке. Эти потоки формируют непредсказуемые нестационарные топологические дефекты. Внешне дефекты похожи на самоподобных ползающих червячков, но по сути они прекрасный источник хаотического шума с адаптируемыми под разные задачи свойствами. При повышении напряжения размер "червячков" уменьшается, а их скорость движения — увеличивается. Используя машинное зрение и фрактальный анализ, мы изучили, при каких значениях и как именно меняются топологические дефекты, что происходит с фрактальными размерностями на крупном и мелком масштабе и как один масштаб перетекает в другой. На ее основе полученных зависимостей можно обучить нейросеть, чтобы она сама настраивала параметры для генерации хаотического шума по запросу оператора и распознавала полученный результат», — рассказал первый автор исследования, старший научный сотрудник лаборатории нелинейной оптики конденсированных сред международного научно-образовательного центра физики наноструктур ИТМО Дмитрий Щербинин.
Дмитрий Щербинин устанавливает подложки в вакуумную камеру для нанесения тонкопленочных электродов методом магнетронного распыления. Фото: Дмитрий Григорьев / ITMO NEWS
Генерация настраиваемого хаотического шума может быть полезна в разных сферах. Например, в качестве генераторов истинно случайных, непредсказуемых чисел для более надежного шифрования данных и паролей в квантовой криптографии и решении оптимизационных задач. Также хаотический шум пригодится в квантовых вычислениях и фантомной визуализации. Последняя позволяет получать полноценные изображения с помощью однопиксельного аналога камеры размером в сотни раз меньше самого маленького эндоскопа, которые используются для осмотра внутри тела пациента.
«В жизни решение задачи глобальной оптимизации может выглядеть так. Представьте, что вы ищете сапоги на маркетплейсе, пролистали пять страниц и, кажется, нашли подходящий вариант. Но на самом деле идеальные сапоги будут только на 10 странице, но вы об этом еще не знаете. Хаотический шум подтолкнет вас долистать до "той самой" обуви, а физическую систему — принять экстремальное значение, глобальный минимум или максимум. В фантомной визуализации с помощью хаотического шума воссоздается цельное изображение на основе однопиксельной камеры. Это похоже на морской бой: хаотический шум, как и игрок, выбирает случайную клетку на поле соперника. Противник отвечает, попали в его корабль или нет, а в случае камеры — закрашен пиксель или нет. В конце игры получается карта затонувших кораблей, а для фантомной визуализации сумма всех пикселей формирует силуэт изображения», — объяснил один из авторов исследования, студент четвертого курса международного научно-образовательного центра физики наноструктур ИТМО Георгий Демьянчук.
В дальнейшем ученые планируют более детально изучить природу возникающих топологических дефектов.
Семен Рудый. Фото: Дмитрий Григорьев / ITMO NEWS
«Мы хотим провести серию экспериментов, чтобы понять, как одни дефекты влияют на другие, проверить на статистических тестах, какие "червячки" выдают самые лучшие абсолютно случайные последовательности чисел, и как их можно адаптировать под разные задачи», — отметил один из авторов исследования, заведующий лабораторией в международном научно-образовательном центре физики наноструктур ИТМО Семен Рудый.
Исследование поддержано Российским научным фондом (грант №24-79-00225).
