Circuito integrado fotônico armazena e processa dados usando apenas luz

Redação do Site Inovação Tecnológica - 19/09/2024

Demonstração do conceito de circuito integrado fotônico.
[Imagem: Heyou Zhang et al. - 10.1002/adom.202401029]

Armazenamento e processamento fotônico de dados

Em mais um marco para a computação fotônica, aquela dos processadores que usam luz em vez de eletricidade, pesquisadores apresentaram o protótipo de bits de luz comutáveis e endereçáveis.

Em termos simples, esses chips permitem o endereçamento preciso de bits individuais de luz, o que torna possível armazenar e ler informações binárias de maneira confiável, tudo opticamente, sem depender de eletricidade.

Toda a eletrônica baseada em microchips, ou circuitos integrados, se baseia em transistores, organizados em complexas redes de portas lógicas que recebem sinais binários de entrada e geram sinais de saída, tudo usando elétrons como portadores de sinal.

O grande sonho hoje, que está se tornando realidade rapidamente, consiste em desenvolver portas lógicas nas quais a transmissão dos sinais ocorra usando fótons em vez de elétrons, o que é muito mais rápido (na velocidade da luz) e consome muito menos energia. O problema é que os fótons tipicamente não interagem uns com os outros, o que torna difícil usá-los para processamento e armazenamento de dados.

Heyou Zhang e colegas das universidades de Bayreuth (Alemanha) e Melbourne (Austrália) deram agora um passo importante nesta direção, criando mais uma arquitetura de computação fotônica prática.

Princípio de funcionamento do armazenamento e processamento óptico de dados em um circuito integrado.
[Imagem: Heyou Zhang et al. - 10.1002/adom.202401029]

Circuito integrado fotônico

Em termos simples, a equipe demonstrou os fundamentos para o processamento puramente óptico de informações, ou seja, uma computação na qual não apenas os bits são formados por luz, mas a interação entre os dados armazenados nesses bits ópticos também é totalmente feita por luz.

A demonstração incluiu centenas de ciclos puramente ópticos de leitura, gravação e apagamento de dados.

O hardware consiste em uma matriz de esferas microestruturadas feitas de polímero cujas moléculas são sensíveis à luz, mudando de conformação física conforme estejam ou não iluminadas.

"São criados arranjos de esferas de polímero (unidades fotônicas) incorporando moléculas fotocomutáveis, que podem ser alternadas de forma reversível e individual entre estados de alta e baixa emissão por fotoexcitação direta, sem qualquer processo de transferência de energia ou elétrons dentro do sistema molecular," explicou a equipe.

Já o processamento das informações binárias armazenadas opticamente é feito escrevendo seletivamente informações em uma determinada unidade fotônica, lendo o padrão de sinal emissivo resultante e então apagando novamente a informação, para que cada bit possa ser usado continuamente.

Nesta primeira demonstração, essas matrizes foram usadas para gravar as letras do alfabeto, escritas em sucessão, no mesmo local. Para criar processadores capazes de operações mais complexas, basta construir matrizes microestruturadas nas dimensões adequadas.

Embora seja apenas uma demonstração de conceito, é possível pensar em circuitos integrados fotônicos muito complexos porque a luz oferece mais possibilidades de multiplexação do que os elétrons. "Com a luz, você pode usar não apenas a intensidade do sinal (número de fótons), mas também o comprimento de onda (cor ou frequência) ou a polarização (direção de oscilação) para distinguir sinais," explicou o professor Jurgen Kohler.

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