แอมพลิฟายเออร์ที่ควอนตัมเงียบ
คอมพิวเตอร์ควอนตัมมีศักยภาพในการแก้ปัญหาที่ดูเหมือนยากจะแก้ไขได้ในเวลาไม่นาน แต่ใหญ่บล็อกสะดุดบนเส้นทางสู่คอมพิวเตอร์ควอนตัมในทางปฏิบัติคือการหาวิธีการสังเกตสัญญาณควอนตัมเล็ก ๆ ที่ไดรฟ์การคำนวณ ล่วงหน้าที่อาจทำให้การสังเกตง่ายขึ้น กลุ่มที่มหาวิทยาลัย Aalto ในฟินแลนด์ ได้สร้างเครื่องขยายสัญญาณไมโครเวฟชนิดใหม่โดยใช้เครื่องสะท้อนเสียงเชิงกล ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วคือส้อมเสียงขนาดนาโนเมตร
“เมื่อคุณมีสัญญาณไมโครเวฟในระดับควอนตัมเดียว คุณไม่สามารถควบคุมมันด้วยมือเปล่า คุณต้องขยายสัญญาณ” Francesco Masselนักวิจัยด้านดุษฏีบัณฑิตของ Aalto ซึ่งทำงานเกี่ยวกับอุปกรณ์กล่าว แต่แอมพลิฟายเออร์ในปัจจุบันเพิ่มสัญญาณเหล่านั้นโดยเสียค่าใช้จ่าย บางครั้งอาจกลบเสียงจากแอมพลิฟายเออร์เอง “อุปกรณ์ของเราได้เพิ่มปริมาณเสียงรบกวนขั้นต่ำที่เป็นไปได้ซึ่งกำหนดโดยกฎของกลศาสตร์ควอนตัมอย่างน้อยที่สุด” Massel กล่าว
การออกแบบอื่น ๆ สำหรับแอมพลิฟายเออร์ดังกล่าวอาศัยวงจรตัวนำยิ่งยวดที่เรียกว่าจุดเชื่อมต่อโจเซฟสัน แต่พวกเขาไม่สามารถรับประกันได้ว่าจะเพิ่มสัญญาณที่สะอาดเหมือนแอมพลิฟายเออร์ฟินแลนด์ กลุ่ม Aalto เป็นกลุ่มแรกที่ใช้เครื่องสะท้อนเสียงเชิงกล ซึ่งเป็นแนวคิดที่พวกเขาบังเอิญพบ ประมาณหนึ่งปีที่ผ่านมา สมาชิกในกลุ่มบางคนพยายามทำให้เครื่องสะท้อนเสียงเชิงกลเย็นลงและในขณะที่ปรับแต่งระบบ พวกเขาสังเกตเห็นว่ามันขยายสัญญาณไมโครเวฟภายใต้เงื่อนไขบางประการ
ระวังช่องว่าง:แอมพลิฟายเออร์ Aalto ประกอบด้วยช่องไมโครเวฟที่คดเคี้ยว [สีน้ำเงิน] ควบคู่ไปกับเรโซเนเตอร์อะลูมิเนียม ส่วนประกอบทั้งสองถูกคั่นด้วยช่องว่างกว้างเพียงไม่กี่นาโนเมตร คลิกที่ภาพเพื่อดูขนาดใหญ่
ในแอมพลิฟายเออร์ใหม่ที่อธิบายในวันพรุ่งนี้ในธรรมชาติสององค์ประกอบจะถูกรวมเข้าด้วยกัน: โพรงไมโครเวฟ (เขาวงกตที่มีกระจกเงาและมีกำแพงล้อมรอบสำหรับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า) และเรโซเนเตอร์เชิงกล (ลำแสงอลูมิเนียมที่ยืดหยุ่นได้แบบแขวน) มีเพียงช่องว่างเล็ก ๆ เท่านั้นที่แยกตัวสะท้อนทางกลและช่องแสงออก ช่องว่างนี้กว้างเพียง 6 ถึง 13 นาโนเมตร ซึ่งเกิดจากการกัดเซาะของลำแสงไอออนที่โฟกัส “มันเป็นหนึ่งในกุญแจสำคัญในการขยายสัญญาณ” Massel กล่าว “ยิ่งการแยกมีขนาดเล็กลง การมีเพศสัมพันธ์ระหว่างเลนส์ [ช่อง] และกลไก [เครื่องสะท้อน] จะสูงขึ้น”
เมื่อคลื่นไมโครเวฟถูกกระแทกด้วยสัญญาณไมโครเวฟที่แรง (เรียกว่าปั๊ม) แรงดันการแผ่รังสีจากไมโครเวฟจะลดการหน่วงของตัวสะท้อน ทำให้สั่นสะเทือนโดยมีความต้านทานน้อยลง เมื่อสัญญาณไมโครเวฟอันที่สอง ซึ่งมีไว้สำหรับการขยายสัญญาณ—กระทบกับโพรง การหน่วงที่ลดลงของเรโซเนเตอร์จะช่วยให้ลำแสงขยายสัญญาณได้
ข้อดีอย่างหนึ่งของแอมพลิฟายเออร์เชิงกลเหนือการออกแบบที่แข่งขันกัน Massel กล่าวคือ โครงสร้างที่เรียบง่ายของมันไม่ไวต่อ การสั่นไหวซึ่งปกติแล้วเป็นสัญญาณรบกวนความถี่ต่ำพบได้ในอุปกรณ์ไฟฟ้าเกือบทั้งหมด รวมทั้งทางแยกของโจเซฟสัน แอมพลิฟายเออร์ที่ดีที่สุดจะกำจัดแหล่งที่มาของสัญญาณรบกวนทั้งหมด ยกเว้นแหล่งที่มาจากความผันผวนของควอนตัม—ความไม่แน่นอนเกี่ยวกับตำแหน่งหรือโมเมนตัมของวัตถุที่เกิดขึ้นเมื่อทำการวัด แอมพลิฟายเออร์เชิงกลของ Aalto จะเหลือเพียงสัญญาณรบกวนจากความร้อนและควอนตัมที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ที่จะรบกวนการวัด “นี่คือจุดขายของแนวคิดนี้” IEEE Fellow Fadhel Ghannouchi . กล่าวนักวิจัยไมโครเวฟที่มหาวิทยาลัยคาลการีในอัลเบอร์ตาซึ่งไม่ได้มีส่วนร่วมในการวิจัย
ทีม Aalto สามารถลดเสียงรบกวนลงได้ถึง 20 ควอนตัม แต่นั่นไม่ใช่การสาธิตที่ชัดเจนว่าเครื่องสะท้อนเสียงแบบกลไกสามารถลดเสียงรบกวนได้จนถึงขีดจำกัดควอนตัมที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ Ghannouchi กล่าว “พวกเขากำลังแทนที่สิ่งที่เป็นอิเล็กทรอนิกส์ด้วยกลไก และคุณจะไม่ได้รับเสียงสั่นไหวด้วยกลไก” เขากล่าว “เราคาดว่าเราสามารถวัดสัญญาณระดับต่ำได้ แต่ฉันยังไม่เห็นการสาธิตที่ชัดเจนใด ๆ ในเรื่องนี้”
ขณะนี้กลุ่มกำลังทำงานในเวอร์ชันของระบบที่จะลดเสียงรบกวนจากความร้อนโดยการทำให้ตัวสะท้อนเย็นลง งานที่ Massel กล่าวว่าปัจจุบันเป็น “กระดานไวท์บอร์ดที่ไม่มีอะไรติดอยู่” แต่เขาหวังว่าเครื่องขยายเสียงของเขาจะสามารถเข้าถึงขีดจำกัดเสียงควอนตัมได้ในไม่ช้า “นี่เป็นจุดเริ่มต้นของการใช้เครื่องสะท้อนเสียงเชิงกลเพื่อทำบางสิ่งบางอย่าง” เขากล่าว “รวมถึงการจัดการและจัดเก็บข้อมูลควอนตัม”
ว่าด้วยนโยบายคนเข้าเมือง
นโยบายการเข้าเมืองที่จำกัดยังส่งผลกระทบต่ออุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ด้วย ผู้ร่วมอภิปรายระบุ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในยุคที่นักศึกษาสหรัฐฯ มักจะเพิกเฉยต่อวิศวกรรมไฟฟ้าและสาขาอื่นๆ ที่เน้นฮาร์ดแวร์เพื่อสนับสนุนโปรแกรมวิทยาการคอมพิวเตอร์
“ปัญหาการย้ายถิ่นฐานมีจริง” เฮอร์เชนสันกล่าว “เมื่อฉันทำวิจัยระดับบัณฑิตศึกษา 70 เปอร์เซ็นต์ของนักเรียนในกลุ่มของฉันมาจากอิหร่าน ในช่วงสองสามปีที่ผ่านมา ชาวอิหร่านไม่สามารถเข้ามาในประเทศได้ด้วยซ้ำ”
Hutcheson เห็นด้วย: “นั่นคือจุดแข็งของอเมริกาที่นำคนเหล่านั้นเข้ามา ความหลากหลายของอุตสาหกรรมของเราทำให้เราแข็งแกร่ง นำแนวคิดใหม่ [และ] ความคิดที่ต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง”
สมาชิกของผู้ชมประมาณ 150 คนขอปรบมือจากผู้เข้าร่วมที่ไม่ได้เกิดในสหรัฐอเมริกา คนส่วนใหญ่ยกมือขึ้น
เรียกร้องยุทธศาสตร์ชาติ
แล้วสหรัฐฯ ควรทำอย่างไร นอกจากลดข้อจำกัดทางการค้ากับจีน และเปิดกว้างสำหรับผู้อพยพที่มีทักษะ
“ฉันเชื่อว่าเราควรมีกลยุทธ์ระดับชาติเกี่ยวกับเซมิคอนดักเตอร์” ฝรั่งเศสกล่าว “และฉันเชื่อว่าเราควรลงทุนในฐานะประเทศผ่านรัฐบาล ในด้านเทคโนโลยีขั้นสูงสำหรับการผลิตเซมิคอนดักเตอร์”
“ถ้าเรามุ่งเน้นในฐานะประเทศในการเป็นอันดับหนึ่งในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์” เขากล่าวต่อ “เราสามารถทำเช่นนั้นได้โดยใช้งบประมาณการป้องกันทางทหารของเราเพียงเล็กน้อย ฉันเชื่ออย่างแท้จริงว่าเราจำเป็นต้องเป็นผู้นำในด้านเซมิคอนดักเตอร์ต่อไป หากเราต้องการเป็นผู้นำเศรษฐกิจในโลก”
Rodriguez ชี้ให้เห็นว่าชุดคำแนะนำนโยบายของรัฐบาลที่ออกในเดือนเมษายนโดยสมาคมอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ได้พูดคุยเกี่ยวกับ 5G, AI และการคำนวณควอนตัม แต่ไม่เกี่ยวกับกลยุทธ์ระดับชาติเพื่อสนับสนุนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งเขาระบุว่าเป็นการกำกับดูแลที่สำคัญ
ผู้ชมบางคนโต้แย้งว่าอาวุธต่างๆ ของรัฐบาลสหรัฐฯ ลงทุนในบริษัทเซมิคอนดักเตอร์ แต่คนอื่นๆ ชี้ให้เห็นว่าความคิดริเริ่มเหล่านี้ส่วนใหญ่มาจากหน่วยงานที่เกี่ยวข้องกับการป้องกันประเทศ คนหนึ่งกล่าวว่า “นั่นก็ดี แต่กระทรวงกลาโหมมีรูปแบบทางเศรษฐกิจที่แตกต่างจากอุตสาหกรรมเชิงพาณิชย์”
เงินลงทุนที่หายไป
การสร้างโรงหล่อเซมิคอนดักเตอร์นั้นไม่ถูก ผู้เข้าร่วมหลายคนชี้ให้เห็น “บริษัททำไม่ได้เพราะการวิเคราะห์การคืนทุนล้มเหลว” ฝรั่งเศสกล่าว “และคุณไม่สามารถทำได้ด้วยเงินร่วมลงทุน”
“บริษัทฮาร์ดแวร์เริ่มหลีกเลี่ยงการใช้คำว่าฮาร์ดแวร์ พวกเขาแค่บอกว่ามันเป็นฟอร์มแฟคเตอร์ที่รวบรวมข้อมูล”
ในขณะที่รูปแบบการร่วมทุนไม่สมเหตุสมผลสำหรับโรงหล่อเซมิคอนดักเตอร์ แต่ Hershenson ชี้ให้เห็นว่านวัตกรรมเซมิคอนดักเตอร์จำนวนมากในด้านอื่น ๆ ได้รับทุนจากการเริ่มต้นและการร่วมทุน
“แต่” เธอกล่าว “มีความแห้งแล้งในช่วง 15 ปีที่ผ่านมา เคยเป็น คุณไปที่บริษัทแซนด์ฮิลล์ [กิจการ] และพวกเขามีคนที่รู้บางอย่างเกี่ยวกับเซมิคอนดักเตอร์ ตอนนี้ megafirms ส่วนใหญ่ไม่ แล้วเราจะสนับสนุนนวัตกรรมได้อย่างไร”
“ฉันสามารถเริ่มต้นบริษัทซอฟต์แวร์ที่ Starbucks ได้” เธอกล่าว “ฉันไม่สามารถทำไมโครโปรเซสเซอร์แบบกำหนดเองได้หากไม่มีเงิน”
บางที ผู้ร่วมอภิปรายแนะนำว่า อุตสาหกรรมจำเป็นต้องทำการตลาดให้ดีขึ้นกว่าเดิม ทำให้ตัวเองเจ๋งเหมือนในสมัยของการแข่งขันในอวกาศ อย่างไรก็ตาม วิธีทำนั้นไม่ชัดเจน—และจะไม่ง่ายด้วย
Kim ชี้ให้เห็นถึงความลำเอียงต่อฮาร์ดแวร์ในปัจจุบันว่า “บริษัทฮาร์ดแวร์เริ่มหลีกเลี่ยงการใช้คำว่าฮาร์ดแวร์ พวกเขาแค่บอกว่ามันเป็นฟอร์มแฟคเตอร์ที่รวบรวมข้อมูล”
เมื่อฉันยังเป็นเด็กฉันแอบหวังว่าฉันจะค้นพบพลังวิเศษที่ซ่อนอยู่ในตัวฉัน เช่น การมองเห็นด้วยรังสีเอกซ์ หรือความสามารถในการอ่านใจคน เด็กจำนวนมากมีความฝันเช่นนี้ แต่ถึงกระนั้นสมองที่ยังเยาว์วัยของข้าพเจ้ายังนึกไม่ออกว่าวันหนึ่งข้าพเจ้าจะช่วยเปลี่ยนมหาอำนาจดังกล่าวให้กลายเป็นความจริง ฉันยังนึกไม่ออกถึงความเป็นไปได้ที่จะแสดงความสามารถเหล่านี้ต่อประธานาธิบดีแห่งสหรัฐอเมริกา และอีกสองทศวรรษต่อมา นั่นคือสิ่งที่เกิดขึ้น
แน่นอนว่าไม่มีเวทย์มนตร์หรือนิยายวิทยาศาสตร์เกี่ยวข้อง มีเพียงอัลกอริธึมใหม่และวิศวกรรมที่ชาญฉลาด โดยใช้เทคโนโลยีไร้สายที่ตรวจจับการสะท้อนของคลื่นวิทยุที่เล็ดลอดออกมาจากเครื่องส่งที่อยู่ใกล้เคียง แนวทางที่เพื่อนร่วมงานMITของฉันและฉันกำลังใฝ่หานั้นอาศัยอุปกรณ์ราคาไม่แพงที่ติดตั้งง่าย—ไม่ยากไปกว่าการตั้งค่าเราเตอร์Wi-Fi
ผลลัพธ์เหล่านี้กำลังถูกนำไปใช้ในโลกแห่งความเป็นจริง ซึ่งช่วยให้นักวิจัยทางการแพทย์และแพทย์สามารถวัดความก้าวหน้าของโรคที่ส่งผลต่อการเดินและการเคลื่อนไหวได้ดีขึ้น และอุปกรณ์ที่ใช้เทคโนโลยีนี้จะวางจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ในไม่ช้า ในอนาคตสามารถใช้ติดตามผู้สูงอายุที่บ้านได้ ส่งการแจ้งเตือนหากมีคนล้มลง ต่างจากผู้ใช้ระบบเตือนภัยทางการแพทย์ในปัจจุบัน ผู้คนที่ได้รับการตรวจสอบจะไม่ต้องสวมสร้อยข้อมือหรือจี้ที่มีวิทยุ เทคโนโลยีนี้ยังสามารถใช้เพื่อตรวจสอบการหายใจและการเต้นของหัวใจของทารกแรกเกิด โดยไม่ต้องให้เซ็นเซอร์สัมผัสกับผิวหนังที่บอบบางของทารก
คุณอาจสงสัยว่าเทคโนโลยีการตรวจจับด้วยคลื่นวิทยุนี้ทำงานอย่างไร ถ้าเป็นเช่นนั้น อ่านต่อไป และฉันจะอธิบายโดยบอกเล่าเรื่องราวว่าเราจัดการเพื่อผลักดันระบบของเราให้เพิ่มระดับของความอ่อนไหวและความซับซ้อนได้อย่างไร
ทุกอย่างเริ่มต้นในปี 2555ไม่นานหลังจากที่ฉันเป็นนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาที่ MIT อาจารย์ที่ปรึกษาของฉันDina Katabiและฉันกำลังหาวิธีอนุญาตให้เครือข่าย Wi-Fi ส่งข้อมูลได้เร็วขึ้น เราติดตั้งอุปกรณ์ Wi-Fi บนหุ่นยนต์เคลื่อนที่ และปล่อยให้หุ่นยนต์นำทางตัวเองไปยังจุดในห้องที่มีการรับส่งข้อมูลสูงสุด จำนวนปริมาณงานของเราจะลดลงอย่างลึกลับเป็นระยะๆ ในที่สุดเราก็รู้ว่าเมื่อมีคนกำลังเดินอยู่ในโถงทางเดินที่อยู่ติดกัน การปรากฏตัวของบุคคลนั้นรบกวนสัญญาณไร้สายในห้องของเรา
เราควรจะได้เห็นสิ่งนี้มา ระบบการสื่อสารไร้สายนั้นเปราะบางต่อสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าและการรบกวน ซึ่งวิศวกรทำงานอย่างหนักเพื่อต่อสู้ แต่การเห็นผลเหล่านี้โดยตรงทำให้เราคิดในแนวทางที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิงเกี่ยวกับการวิจัยของเรา เราสงสัยว่า “เสียง” ที่เกิดจากผู้คนที่ผ่านไปมา สามารถใช้เป็นแหล่งข้อมูลใหม่เกี่ยวกับสภาพแวดล้อมในบริเวณใกล้เคียงได้หรือไม่ เราสามารถเอาอุปกรณ์ Wi-Fi ชี้ไปที่ผนังแล้วดูบนหน้าจอคอมพิวเตอร์ว่ามีคนอยู่หลังกำแพงเคลื่อนที่อย่างไร?
มันน่าจะเป็นไปได้นะ เราคิดว่า ท้ายที่สุดแล้ว ผนังไม่ได้ปิดกั้นสัญญาณไร้สาย คุณสามารถเชื่อมต่อ Wi-Fi ได้แม้ว่าเราเตอร์จะอยู่อีกห้องหนึ่ง และถ้ามีคนอยู่อีกฟากหนึ่งของกำแพง สัญญาณไร้สายที่คุณส่งออกไปทางด้านนี้จะสะท้อนออกจากร่างกายของเขาหรือเธอ โดยธรรมชาติแล้ว หลังจากที่สัญญาณข้ามกำแพง สะท้อนกลับมา และข้ามผ่านกำแพงอีกครั้ง สัญญาณจะอ่อนลงมาก แต่ถ้าเราสามารถบันทึกภาพสะท้อนในนาทีนี้ ในแง่หนึ่ง เราก็จะสามารถมองทะลุกำแพงได้
การใช้คลื่นวิทยุเพื่อตรวจจับสิ่งที่อยู่อีกด้านหนึ่งของกำแพงนั้นเคยทำมาก่อนแล้ว แต่ด้วยอุปกรณ์เรดาร์ที่ล้ำสมัยและอาร์เรย์เสาอากาศราคาแพง เราต้องการใช้อุปกรณ์ที่ไม่ต่างจากที่คุณใช้ในการสร้างเครือข่าย Wi-Fi ในพื้นที่ในบ้านของคุณมากนัก
เมื่อเราเริ่มทดลองกับแนวคิดนี้ เราค้นพบความซับซ้อนเชิงปฏิบัติมากมาย อย่างแรกมาจากตัวกำแพงเอง ซึ่งมีการสะท้อนแสง 10,000 ถึง 100,000 เท่าของแสงสะท้อนใดๆ ที่มาจากนอกเหนือมัน ความท้าทายอีกประการหนึ่งคือสัญญาณไร้สายไม่เพียงแค่สะท้อนออกจากผนังและร่างกายมนุษย์เท่านั้น แต่ยังรวมถึงวัตถุอื่นๆ เช่น โต๊ะ เก้าอี้ เพดาน และพื้น ดังนั้นเราจึงต้องคิดหาวิธีที่จะขจัดภาพสะท้อนอื่นๆ เหล่านี้ให้หมด และเก็บเฉพาะภาพสะท้อนจากคนที่อยู่หลังกำแพงเท่านั้น
ในการดำเนินการนี้ ตอนแรกเราใช้เครื่องส่งสองตัวและเครื่องรับหนึ่งเครื่อง อันดับแรก เราส่งสัญญาณจากเครื่องส่งหนึ่งเครื่อง และวัดการสะท้อนที่ย้อนกลับมาที่เครื่องรับของเรา สัญญาณที่ได้รับถูกครอบงำโดยเงาสะท้อนขนาดใหญ่ที่ออกมาจากผนัง
เราทำเช่นเดียวกันกับเครื่องส่งที่สอง สัญญาณที่ได้รับยังถูกครอบงำด้วยการสะท้อนที่แรงจากผนัง แต่ขนาดของการสะท้อนและความล่าช้าระหว่างสัญญาณที่ส่งและสะท้อนกลับแตกต่างกันเล็กน้อย
จากนั้นเราปรับสัญญาณที่ส่งโดยเครื่องส่งแรกเพื่อให้การสะท้อนของมันจะยกเลิกการสะท้อนที่สร้างขึ้นโดยเครื่องส่งที่สอง เมื่อเราทำเช่นนั้นแล้ว ผู้รับจะไม่บันทึกภาพสะท้อนขนาดยักษ์จากผนัง เฉพาะภาพสะท้อนที่ไม่ถูกยกเลิก เช่น จากคนที่เคลื่อนที่อยู่หลังกำแพงเท่านั้นที่จะลงทะเบียน จากนั้นเราสามารถเพิ่มสัญญาณที่ส่งโดยเครื่องส่งทั้งสองเครื่องโดยไม่ทำให้เครื่องรับมีแสงสะท้อนจากผนังมากเกินไป อันที่จริง ตอนนี้เรามีระบบที่ยกเลิกการสะท้อนจากวัตถุที่อยู่กับที่ทั้งหมด
ต่อไป เรามุ่งความสนใจไปที่การตรวจจับบุคคลขณะที่เขาหรือเธอย้ายไปรอบๆ ห้องที่อยู่ติดกัน ในการนั้น เราใช้เทคนิคที่เรียกว่าเรดาร์รูรับแสงสังเคราะห์ผกผันซึ่งบางครั้งใช้สำหรับการเฝ้าระวังทางทะเลและดาราศาสตร์เรดาร์ ด้วยอุปกรณ์ที่เรียบง่ายของเรา กลยุทธ์นั้นดีพอสมควรในการตรวจจับว่ามีคนเคลื่อนที่อยู่หลังกำแพงหรือไม่ และแม้แต่วัดทิศทางที่บุคคลนั้นกำลังเคลื่อนที่ แต่ไม่ได้แสดงตำแหน่งของบุคคลนั้น
เมื่อการวิจัยพัฒนาขึ้น และทีมของเราได้เพิ่มเพื่อนนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาZachary Kabelacและศาสตราจารย์Robert Millerเราได้ปรับเปลี่ยนระบบเพื่อให้รวมเสาอากาศจำนวนมากขึ้นและทำงานน้อยกว่าเราเตอร์ Wi-Fi และเหมือนเรดาร์ทั่วไปมากขึ้น
ผู้คนมักคิดว่าอุปกรณ์เรดาร์ปล่อยคลื่นวิทยุสั้น ๆ แล้ววัดความล่าช้าในการสะท้อนที่กลับมา ทำได้ แต่เทคนิคนั้นทำได้ยาก เราใช้วิธีการที่ง่ายกว่า ซึ่งเรียกว่าเรดาร์คลื่นต่อเนื่องที่ปรับความถี่ซึ่งวัดระยะทางโดยการเปรียบเทียบความถี่ของคลื่นที่ส่งและคลื่นสะท้อน ระบบของเราทำงานระหว่างประมาณ 5 ถึง 7 กิกะเฮิร์ตซ์ โดยส่งสัญญาณที่มีความแรงเพียง 0.1 เปอร์เซ็นต์ของ Wi-Fi และสามารถกำหนดระยะทางไปยังวัตถุได้ภายในไม่กี่เซนติเมตร
การใช้เสาอากาศส่งสัญญาณหนึ่งตัวและเสาอากาศรับสัญญาณหลายตัวที่ติดตั้งในตำแหน่งต่างๆ ทำให้เราสามารถวัดการสะท้อนของคลื่นวิทยุสำหรับเสาอากาศรับ-ส่งแต่ละคู่ได้ การวัดเหล่านี้แสดงระยะเวลาที่ใช้ในการส่งสัญญาณวิทยุออกจากเครื่องส่ง ไปถึงบุคคลในห้องถัดไป และสะท้อนกลับไปยังเครื่องรับ โดยปกติจะใช้เวลาหลายสิบนาโนวินาที การคูณช่วงเวลาที่สั้นมากนั้นด้วยความเร็วของแสงจะให้ระยะทางที่สัญญาณเดินทางจากเครื่องส่งไปยังบุคคลและกลับไปยังเครื่องรับ อย่างที่คุณอาจจำได้จากชั้นเรขาคณิตของโรงเรียนมัธยมศึกษาตอนต้น ระยะทางนั้นกำหนดวงรี โดยมีเสาอากาศสองตัวตั้งอยู่บนจุดโฟกัสสองจุดของวงรี บุคคลที่สร้างภาพสะท้อนในห้องถัดไปจะต้องอยู่ที่ใดที่หนึ่งบนวงรีนั้น
ด้วยเสาอากาศรับสัญญาณสองอัน เราสามารถแมปวงรีดังกล่าวสองวง ซึ่งตัดกันที่ตำแหน่งของบุคคลนั้น ด้วยเสาอากาศรับสัญญาณมากกว่า 2 เสา ทำให้สามารถระบุตำแหน่งบุคคลในแบบ 3 มิติได้ เช่น คุณสามารถบอกได้ว่าบุคคลนั้นกำลังยืนหรือนอนอยู่บนพื้น เป็นต้น สิ่งต่างๆ จะยากขึ้นถ้าคุณต้องการค้นหาบุคคลหลายๆ คนด้วยวิธีนี้ แต่อย่างที่เราแสดงให้เห็นในภายหลัง เมื่อมีเสาอากาศเพียงพอ ก็สามารถทำได้
มันง่ายที่จะนึกถึงแอปพลิเคชันสำหรับระบบดังกล่าว บ้านอัจฉริยะสามารถติดตามตำแหน่งของผู้อยู่อาศัยและปรับความร้อนและความเย็นของห้องต่างๆ คุณสามารถตรวจสอบผู้สูงอายุได้ เพื่อให้แน่ใจว่าพวกเขาไม่ได้ล้มหรือขยับไม่ได้ โดยไม่ต้องให้ผู้สูงอายุเหล่านี้สวมเครื่องส่งวิทยุ เรายังได้พัฒนาวิธีการสำหรับระบบของเราในการติดตามท่าทางแขนของใครบางคน ทำให้ผู้ใช้สามารถควบคุมไฟหรืออุปกรณ์ต่างๆ ได้ด้วยการชี้ไปที่พวกเขา
ขั้นตอนต่อไปที่เป็นธรรมชาติสำหรับทีมวิจัยของเรา ซึ่งในตอนนี้รวมถึงนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาChen-Yu HsuและHongzi Maoและศาสตราจารย์Frédo Durand คือการจับภาพเงาของมนุษย์ผ่านกำแพง
ความท้าทายพื้นฐานที่นี่คือที่ความถี่ Wi-Fi การสะท้อนจากบางส่วนของร่างกายจะสะท้อนกลับมาที่เสาอากาศรับสัญญาณ ในขณะที่แสงสะท้อนอื่นๆ จะออกไปในทิศทางอื่น ดังนั้นอุปกรณ์สร้างภาพไร้สายของเราจะจับส่วนต่างๆ ของร่างกาย แต่ไม่ใช่ส่วนอื่นๆ และเราไม่รู้ว่าอวัยวะส่วนใดของร่างกาย
วิธีแก้ปัญหาของเราค่อนข้างง่าย: เรารวบรวมการวัดตามเวลา วิธีนี้ได้ผลเพราะในขณะที่บุคคลเคลื่อนไหว ส่วนต่างๆ ของร่างกายและมุมมองที่แตกต่างกันของส่วนต่างๆ ของร่างกายเดียวกันจะได้รับคลื่นวิทยุ เราออกแบบอัลกอริธึมที่ใช้แบบจำลองของร่างกายมนุษย์ในการรวมชุดของสแน็ปช็อตการสะท้อนเข้าด้วยกัน จากนั้น อุปกรณ์ของเราก็สามารถสร้างภาพเงาของมนุษย์ที่หยาบขึ้นมาใหม่ได้ โดยแสดงตำแหน่งของศีรษะ หน้าอก แขน และเท้าของบุคคล