Como serão feitos os cálculos em um processador de luz?

Redação do Site Inovação Tecnológica - 07/10/2022

Ecossistema das tecnologias de computação com luz.
[Imagem: Shuming Jiao et al. - 10.29026/oes.2022.220010]

Processadores de luz

Esteja você lendo esta reportagem em seu celular ou em seu computador, o processador do seu aparelho está funcionando em sua velocidade máxima. É um pequeno chip contendo bilhões de componentes básicos chamados transistores, montados em estruturas chamadas portas lógicas.

E o fato de esperarmos que o nosso próximo aparelho seja mais rápido não surge do acaso: Ele precisa mesmo ser para atender às exigências dos novos aplicativos e novas funcionalidades.

Mas isso é cada vez mais difícil porque não dá para aumentar indefinidamente a quantidade de transistores em cada chip, sem contar que eles esquentam cada vez mais e consomem a bateria cada vez mais rapidamente.

Uma das alternativas para isso é substituir a eletricidade que faz os transistores funcionarem por luz: Não há nada mais rápido do que a luz e a computação com fótons praticamente não libera calor, além de diminuir drasticamente o consumo de energia.

Além disso, um campo de luz tem amplitude, fase, tempo, espaço, frequência, polarização e outras dimensões, que podem ser usadas para representar informações, enquanto reflexão, refração, interferência, difração e outros efeitos ópticos podem ser usados para processar informações. Assim, parece natural usar a luz para a computação.

Ou seja, os computadores ópticos, com seus processadores que usam luz em vez de eletricidade, são definitivamente uma opção a se considerar, substituindo aparelhos eletrônicos por aparelhos fotônicos, e sinais elétricos por sinais ópticos.

Para ver em que ponto estamos nesse caminho, Shuming Jiao e seus colegas da Universidade de Ciência e Tecnologia do Sul da China fizeram uma revisão de todo o campo de pesquisas, e mostraram as mais avançadas no verdadeiro zoológico de opções apresentadas até agora.

Portas lógicas simples montadas com nanofios (entrada marcada em vermelho e saída marcada em azul).
[Imagem: Shuming Jiao et al. - 10.29026/oes.2022.220010]

Portas lógicas ópticas

O desafio para viabilizar esses processadores ópticos está em construir portas lógicas que façam os cálculos com luz. Um dos caminhos mais promissores está em um componente óptico chamado amplificador óptico semicondutor (AOS), que se assemelha a uma versão óptica do transístor eletrônico.

Um AOS permite obter uma variedade de efeitos não lineares entre sinais de luz de entrada e saída de diferentes frequências, que podem ser usados para construir relações matemáticas típicas das portas lógicas, como AND, OR, XOR etc. Além disso, o AOS tem o efeito de mixagem de quatro ondas: Através de configurações apropriadas, dois sinais de luz de diferentes frequências podem ser usados como entrada para gerar uma terceira frequência de luz como saída, e a fase do sinal de saída é a soma das fases dos dois sinais de entrada.

As fibras ópticas altamente não-lineares (HNLF) representam outra opção. É um outro tipo de componente óptico que possui muitas propriedades semelhantes ao AOS e também pode ser usado na montagem de portas lógicas ópticas.

Esquemas de portas lógicas em amplificadores ópticos semicondutores (em cima) e em cristais fotônicos (embaixo).
[Imagem: Shuming Jiao et al. - 10.29026/oes.2022.220010]

Guias de onda

Mais recentemente, com o desenvolvimento da fotônica integrada e da tecnologia de fabricação em escalas micro e nano, tornou-se possível construir guias de onda e outros componentes de modo integrado dentro de chips ópticos, permitindo a construção das primeiras versões miniaturizadas das portas lógicas ópticas - lembre-se que o comprimento de onda da luz é enorme em comparação com o tamanho dos transistores mais modernos, algo em torno de duas ordens de magnitude.

No guia de ondas, é mais fácil ajustar a fase, desde que o comprimento da propagação da luz possa ser alterado. A intensidade da luz após a interferência dessas duas ondas de luz pode ser usada como saída de uma porta lógica: Dependendo da diferença de amplitude e da fase do sinal de entrada, a intensidade da luz após uma interferência construtiva ou destrutiva pode ser equivalente ao valor de saída da porta lógica, algo comparável aos tradicionais 0s e 1s.

Implementação híbrida com guias de onda linear e em microanel.
[Imagem: Shuming Jiao et al. - 10.29026/oes.2022.220010]

Microrressonadores em anel

Um vertente derivada combina os guias de onda lineares com microguias de onda em formato de anel, ou microrressonadores em anel, que são montados em um sistema no qual as ondas de luz podem ser propagadas através de múltiplas ressonâncias de acoplamento, como múltiplas engrenagens mecânicas, para alcançar um tipo de operação de porta lógica.

E há também opções mais "exóticas", com portas lógicas ópticas sendo montadas usando plásmons de superfície, nanofios, cristais fotônicos, componentes optoacústicos baseados em niobato de lítio etc.

As redes difrativas funcionam como processadores de luz que fazem cálculos na hora e sem gastar energia.
[Imagem: Shuming Jiao et al. - 10.29026/oes.2022.220010]

Futuro em aberto

Assim como acontece na computação quântica, ainda não sabemos qual dessas plataformas finalmente viabilizará os computadores ópticos, ou fotônicos.

Shuming Jiao e seus colegas concluíram que ainda estamos longe de projetar e construir uma porta lógica óptica qualificada para aplicações práticas.

Na verdade, obter as saídas lógicas apropriadas é apenas um primeiro passo. Depois será necessário fazer uma série delas funcionar em conjunto, fazer circuitos com correção de erro etc.

"Para realmente alcançar uma pontuação 'Excelente', as portas lógicas ópticas precisam superar as portas lógicas eletrônicas, mostrando vantagens evidentes, como velocidade de cálculo mais rápida e menor consumo de energia. Para ser uma boa porta lógica com nota 'A+', há muitos desafios. A maioria das portas lógicas ópticas existentes não consegue atender a todos os requisitos," escreveu a equipe.

E também não se pode fugir da eventual necessidade de uma inovação disruptiva: "Claro, fótons e elétrons são inerentemente diferentes, e também está aberto ao debate se a estrutura de computador 'de baixo para cima' do mundo eletrônico, construída a partir das unidades básicas de portas lógicas únicas, ainda é aplicável no mundo fotônico. A pesquisa das portas lógicas ópticas ainda tem um espaço muito grande para mais explorações e desenvolvimentos no futuro," concluíram Shuming Jiao e seus colegas.

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