Informática

Novo tipo de computação usa "poeira mágica" de luz e matéria

Novo tipo de computação usa
A solução para o mínimo global aparece por fotoluminescência. [Imagem: Natalia Berloff/Universidade de Cambridge]

Melhor não duvidar

A professora russa Natalia Berloff, atualmente na Universidade de Cambridge, no Reino Unido, tem um histórico de descobertas importantes, como quasipartículas que tornam a mecânica quântica visível a olho nu, além de ter ajudado a elucidar o mistério dos objetos tipo elétron não identificados.

Mas, há alguns anos, quando ela e seus colegas do Instituto Skolkovo de Ciência e Tecnologia da Rússia tentaram demonstrar que partículas quânticas poderiam ser usadas para criar um novo tipo de computação, as revistas científicas acharam a ideia revolucionária demais e simplesmente se recusaram a publicar suas ideias, até então apenas teóricas.

"Um revisor disse: 'Quem seria louco o suficiente para tentar implementar isso?!' Então nós tivemos que fazê-lo nós mesmos, e agora provamos nossa proposta com dados experimentais," contou ela.

Encontrar o mínimo global

Berloff propõe fazer computação usando o que ela chama de "poeira mágica", quasipartículas que combinam luz e matéria, conhecidas como polaritons, e que estão na base de uma tecnologia emergente chamada plasmônica.

A ideia é usar os polaritons para que eles encham espaços vazios apontando diretamente para a solução mais simples para os problemas mais complexos. As previsões indicam que esse tipo de computação irá superar em velocidade e complexidade qualquer supercomputador atual e mesmo os futuros computadores quânticos.

Virtualmente toda a computação que fazemos hoje - da modelagem do dobramento de proteínas até o comportamento dos mercados financeiros, a concepção de novos materiais e o envio de missões totalmente automatizadas para o espaço profundo - depende da nossa capacidade de encontrar a solução ideal para a formulação matemática de um problema: o número mínimo absoluto de passos que leva para resolver esse problema.

O que a professora Berloff percebeu é que a busca de uma solução matemática ideal é análoga à procura do ponto mais baixo em um terreno montanhoso com muitos vales, fossos e poços. Um andarilho pode descer uma colina e pensar que alcançou o ponto mais baixo de toda a paisagem, mas pode haver um vale mais profundo logo atrás da próxima montanha.

Se essa busca já parece um tanto assustadora em um terreno natural - "Quem seria louco o suficiente para tentar isto?", lembra-se? - imagine a complexidade quando se considera um espaço de várias dimensões. "Este é exatamente o problema com que temos que lidar quando a função que queremos minimizar representa um problema da vida real com muitas incógnitas, parâmetros e restrições," explicou Berloff.

Mesmo um computador quântico, quando construído, oferecerá, na melhor das hipóteses, a aceleração quadrática para a busca do mínimo global por meio de uma abordagem do tipo "força bruta". Os supercomputadores modernos só conseguem lidar com um pequeno subconjunto desses problemas, quando a dimensão da função a ser minimizada é pequena ou quando a estrutura subjacente ao problema permite encontrar a solução ideal rapidamente mesmo para uma função de grande dimensionalidade.

Novo tipo de computação usa
Os polaritons usados como "poeira mágica" são a base de um outro estado da matéria conhecido como luz superfluida. [Imagem: Polytechnique Montreal]

Computação com poeira mágica

Berloff e seus colegas encararam esse problema de um ângulo inesperado: E se, em vez de andar por todo o terreno montanhoso em busca do ponto mais baixo, você encher a paisagem com uma poeira mágica que tenha a propriedade de só brilhar no nível mais profundo? Pronto, a solução aparecerá na hora de forma muito rápida.

Eles criaram a poeira mágica de polaritons disparando um laser sobre camadas empilhadas de átomos selecionados, como gálio, arsênio, índio e alumínio. Os elétrons nessas camadas absorvem e emitem luz de uma cor específica. Os polaritons são dez mil vezes mais leves do que os elétrons e podem atingir densidades suficientes para formar um estado da matéria conhecido como condensado de Bose-Einstein, no qual as fases quânticas dos polaritons se sincronizam, criando um único objeto quântico macroscópico que pode ser detectado através de medições de fotoluminescência - veja mais detalhes na pesquisa anterior do grupo que demonstrou as quasipartículas que tornam a mecânica quântica visível a olho nu.

Faltava então o passo essencial: criar uma paisagem que corresponda à função a minimizar e forçar a poeira mágica a se condensar no seu ponto mais baixo.

Para fazer isso, o grupo se concentrou em um tipo particular de problema de otimização, mas um tipo que é genérico o suficiente para que qualquer outro problema difícil possa ser simulado. Esse problema é a chamada minimização do modelo XY, que é um dos modelos mais fundamentais da mecânica estatística.

A equipe então criou polaritons nos vértices de um grafo arbitrário. À medida que os polaritons se condensam, suas fases quânticas se organizam em uma configuração que corresponde ao mínimo absoluto da função.

Com essa demonstração prática, o revisor achou que a equipe não era tão maluca assim e o artigo científico foi levado a sério e publicado.

"Estamos apenas no início da exploração do potencial dos grafos de polaritons para resolver problemas complexos," disse professor Pavlos Lagoudakis, coautor do trabalho e responsável pelos experimentos. "Agora estamos expandindo nosso dispositivo para centenas de nós, enquanto testamos seu poder computacional fundamental. O objetivo final é [construir] um simulador quântico em um microchip que funcione em condições ambientais".

Bibliografia:

Realizing the classical XY Hamiltonian in polariton simulators
Natalia G. Berloff, Matteo Silva, Kirill Kalinin, Alexis Askitopoulos, Julian D. Töpfer, Pasquale Cilibrizzi, Wolfgang Langbein, Pavlos G. Lagoudakis
Nature Materials
DOI: 10.1038/nmat4971




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