Uw computer voert de meeste taken goed uit. Voor tekstverwerking, bepaalde berekeningen, grafische kunst en surfen op het web, de digitale doos op uw bureau is het beste hulpmiddel voor de klus. Maar de manier waarop uw computer werkt, met zijn stijl van wiskunde die vertrouwt op het binaire codesysteem van "aan" en "uit" 1s en 0s, is niet ideaal om elk probleem op te lossen.

Dat is de reden waarom onderzoekers zoals Zoltán Toroczkai, hoogleraar bij de afdeling Natuurkunde en gelijktijdig hoogleraar bij de afdeling Computerwetenschappen en Engineering aan de Universiteit van Notre Dame, zijn geïnteresseerd in het nieuw leven inblazen van analoog computergebruik in een tijd waarin digitaal computergebruik zijn maximale potentieel heeft bereikt.

Toroczkai en zijn medewerkers hebben gewerkt aan de ontwikkeling van een nieuwe wiskundige benadering die de berekening verder zal helpen dan het digitale kader. Zijn meest recente artikel, gepubliceerd in Natuurcommunicatie , beschrijft een nieuwe wiskundige, analoge "oplosser" die mogelijk de beste oplossing voor NP-harde problemen kan vinden.

NP-hardheid is een theorie van computationele complexiteit, met problemen die bekend staan ​​om hun moeilijkheidsgraad. Als het aantal variabelen groot is, problemen in verband met planning, eiwit vouwen, bio-informatica, medische beeldvorming en vele andere gebieden zijn bijna onoplosbaar met bekende methoden. Na het testen van hun nieuwe methode op verschillende NP-harde problemen, de onderzoekers concludeerden dat hun oplosser het potentieel heeft om te leiden tot betere, en mogelijk sneller oplossingen dan digitaal kan worden berekend.

Analoge computers werden gebruikt om getijden te voorspellen van het begin tot het midden van de 20e eeuw, leid wapens op slagschepen en lanceer NASA's eerste raketten de ruimte in. Ze gebruikten eerst tandwielen en vacuümbuizen, en later, transistoren, die kunnen worden geconfigureerd om problemen met een reeks variabelen op te lossen. Ze voeren direct wiskundige functies uit. Bijvoorbeeld, om 5 en 9 toe te voegen, analoge computers voegen spanningen toe die overeenkomen met die getallen, en krijg dan meteen het juiste antwoord. Echter, analoge computers waren omslachtig en gevoelig voor "ruis" - verstoringen in de signalen - en waren moeilijk opnieuw te configureren om verschillende problemen op te lossen, dus vielen ze uit de gratie.

Digitale computers ontstonden nadat transistors en geïntegreerde schakelingen op betrouwbare wijze in massa werden geproduceerd, en voor veel taken zijn ze nauwkeurig en voldoende flexibel. Computeralgoritmen, in de vorm van software, zijn sets instructies die de computerhardware vertellen hoe deze moet presteren. Omdat het proces beperkt is tot het gebruik van nullen en enen, dit maakt ook hun programmering eenvoudiger, en liet digitaal computergebruik bijna 70 jaar domineren.

Echter, hun beperkingen kunnen voorkomen dat digitale computers NP-harde problemen met veel variabelen oplossen. Een zo'n probleem is het "Traveling Salesman"-probleem, waarin een verkoper in één stad moet beginnen en aan het einde van een reis naar die stad moet terugkeren, maar tussendoor moet naar alle verschillende steden op een lijst reizen. Wat is de meest efficiënte route van alle punten? Het probleem wordt exponentieel uitdagender met de toevoeging van meer steden. De moeilijkheid met dergelijke optimalisatieproblemen, Toroczkai merkte op, is "terwijl je altijd een antwoord kunt bedenken, je kunt niet bepalen of het optimaal is. Bepalen dat er geen betere oplossing is, is net zo moeilijk als het probleem zelf."

Een uitdaging voor analoog computergebruik ligt bij het ontwerp van continue algoritmen. In tegenstelling tot digitale computers, die een lange geschiedenis heeft in de ontwikkeling van algoritmen, algoritmen voor analoge computers missen een vergelijkbare kennisbasis en zijn daarom erg moeilijk te ontwerpen. De benadering van Toroczkai verschilt van de soorten algoritmen voor digitale computers, in alle aspecten.

De volgende stap is het ontwerpen en bouwen van apparaten op basis van deze aanpak, een proces dat zal worden aangepakt binnen de Notre Dame's College of Engineering. De analoge computers zouden worden gebouwd voor specifieke taken, en niet voor dagelijkse computerbehoeften. Dit werk maakt deel uit van een groter, multi-institutionele inspanning, genaamd Extreem Energiezuinige Collectieve Elektronica (EXCEL), onder leiding van Suman Datta van de Notre Dame, Freimann Leerstoel Engineering en hoogleraar elektrotechniek, in samenwerking met Sharon Hu, hoogleraar informatica en techniek.

"Er zijn vooral technische problemen die op dit moment moeten worden opgelost, zoals onechte capaciteiten en betere geluidsbeheersing, maar het komt er wel, "Zei Toroczkai. "Idealiter zou ik graag zien dat je deze doos op je bureau hebt staan ​​die je planner is. En het zal veel beter zijn werk doen dan je gewone computer."