Cérebro quântico usa átomos para fazer computação sem software

Redação do Site Inovação Tecnológica - 09/02/2021

Os átomos funcionam como uma Máquina de Boltzmann, um tipo de rede neural recorrente. Nascido no campo da física estatística, esse mecanismo hoje é largamente usado pelas ciências cognitivas.
[Imagem: Brian Kiraly et al. - 10.1038/s41565-020-00838-4]

Cérebro quântico

Um material inteligente que aprende mudando-se fisicamente pode ser a base de uma geração completamente nova de computadores.

Brian Kiraly e seus colegas da Universidade Radboud, nos Países Baixos, chamam esse novo conceito de computação de "cérebro quântico" - na computação quântica os qubits também funcionam com base nas leis da mecânica quântica, mas aqui o material funciona de forma parecida com os neurônios do cérebro humano.

Kiraly demonstrou como organizar e interconectar uma rede de átomos individuais de cobalto, de forma que suas interações imitem o cérebro tanto no aspecto do comportamento autônomo dos neurônios, quanto das sinapses que conectam um neurônio a outros.

O resultado é uma forma de computação perfeitamente adaptada para a inteligência artificial - só que tudo funciona no hardware, sem precisar de software.

Inteligência artificial

Para que a inteligência artificial funcione nos moldes atuais, um computador precisa ser capaz de reconhecer padrões existentes e aprender novos. Os computadores fazem isso por meio de um software de aprendizado de máquina, que controla o armazenamento e o processamento de informações em dispositivos separados.

"Até agora, essa tecnologia, que se baseia em um paradigma de mais de um século, tem funcionado a contento. No entanto, no final, é um processo muito ineficiente em termos de energia," disse o professor Bert Kappen.

Partindo dos resultados promissores obtidos em um trabalho anterior, a equipe decidiu verificar se um hardware adequado poderia fazer o mesmo, sem a necessidade de software.

Eles descobriram que, construindo uma rede de átomos de cobalto sobre uma base de fósforo negro, é possível construir um material que simultaneamente armazena e processa informações de modo semelhante a um cérebro e, ainda mais surpreendente, se adapta.

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Além das sinapses multivaloradas, típicas da computação neuromórfica, o sistema ajusta seu comportamento conforme as entradas que recebe.
[Imagem: Brian Kiraly et al. - 10.1038/s41565-020-00838-4]

Átomos auto-adaptáveis

Em 2018, a mesma equipe demonstrou que é possível armazenar informações no estado de um único átomo de cobalto. Uma voltagem aplicada ao átomo induz um "disparo" - como em um neurônio -, com o átomo oscilando entre dois valores - 0 e 1 - aleatoriamente.

Eles agora descobriram uma maneira de criar conjuntos sob medida desses átomos e verificaram que o comportamento de disparo desses conjuntos imita o comportamento de um modelo semelhante ao cérebro usado na inteligência artificial.

Além de observar o comportamento semelhante aos disparos dos neurônios, a equipe conseguiu criar a menor sinapse artificial feita até hoje.

Mas o melhor estava por vir: Os dados mostraram que os conjuntos de átomos apresentam uma propriedade adaptativa, com suas sinapses mudando de comportamento dependendo da entrada que recebem.

"Quando estimulamos o material por um longo período de tempo com uma determinada voltagem, ficamos muito surpresos ao ver que as sinapses realmente mudaram. O material adaptou sua reação com base nos estímulos externos que recebeu. Aprendeu por si mesmo," disse o professor Alexander Khajetoorians, coordenador da equipe.

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Entender o funcionamento

Os pesquisadores agora planejam expandir o sistema e construir uma rede maior de átomos, bem como pesquisar outros materiais "quânticos" que possam ser usados, eventualmente com resultados ainda melhores.

"Se pudermos eventualmente construir uma máquina real com este material, poderíamos construir dispositivos de computação com autoaprendizagem que serão mais eficientes em termos de energia e menores do que os computadores de hoje. No entanto, apenas quando entendermos como ele funciona - e isso ainda é um mistério - seremos capazes de ajustar seu comportamento e começar a desenvolvê-lo em uma tecnologia. É um momento muito emocionante," concluiu Khajetoorians.

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