Computação acústica resolve problemas eletronicamente incomputáveis

Redação do Site Inovação Tecnológica - 08/04/2025

Esquema do processador baseado em ondas acústicas.
[Imagem: Artem Litvinenko et al. - 10.1038/s42005-025-01969-7]

Computação acústica

Pesquisadores desenvolveram uma nova máquina de Ising que utiliza ondas acústicas de superfície como portadoras do fluxo de informações.

Essa forma alternativa de computação permite obter soluções rápidas e energeticamente eficientes para problemas complexos de otimização, oferecendo uma alternativa promissora aos métodos de computação convencionais baseados na arquitetura von-Neumann, na qual se baseiam todos os nossos computadores eletrônicos.

Nossos computadores têm dificuldade em lidar com problemas de otimização combinatória, embora eles sejam essenciais em inúmeras situações, como tarefas de agendamento de operações logísticas e hotéis, otimização de carteiras de aplicações financeiras ou de canais de comunicação em redes sem fio, ou mesmo na previsão de como as proteínas se dobram entre inúmeras possibilidades estruturais.

Nesses casos, cada nó adicionado, seja uma reserva de um quarto ou uma ligação molecular, faz com que o número de configurações possíveis aumente exponencialmente. Em contraste com o crescimento linear ou polinomial, um aumento exponencial no número de soluções possíveis faz com que até mesmo os computadores e algoritmos mais poderosos não tenham o poder computacional e a memória para avaliar cada cenário em busca de subconjuntos extremamente pequenos que representem soluções satisfatoriamente ótimas.

Agora, Artem Litvinenko e colegas da Universidade de Gotemburgo, na Suécia, desenvolveram uma nova máquina de Ising que funciona com base em ondas acústicas de superfície, vibrações elásticas que viajam ao longo da superfície de materiais, como ondulações em um lago.

A máquina resolve algumas tarefas de otimização combinatória usando uma fração da potência e do tamanho dos supercomputadores. Esta arquitetura baseada em acústica retém a conectividade de todos para todos, mas melhora drasticamente a estabilidade (10⁴ a 10⁵ vezes).

Isso é suficiente para torná-la uma plataforma comercialmente viável para aceleradores de problemas combinatórios, uma solução imediata enquanto esperamos o advento dos computadores quânticos.

Demonstração experimental da máquina de Ising acústica de 50 spins resolvendo dois problemas MAX-CUT diferentes.
[Imagem: Artem Litvinenko et al. - 10.1038/s42005-025-01969-7]

Máquinas de Ising

As máquinas de Ising são hardwares inspirados na física, lidando com os problemas combinatórios mapeando-os em um modelo clássico de magnetismo - um modelo de Ising. Uma máquina de Ising reimagina os problemas combinatórios transformando-os em uma "paisagem energética" de pequenos osciladores, cada um capaz de assumir um estado "para cima" ou "para baixo".

Na física, os sistemas naturalmente decaem para o arranjo de menor energia, como uma matriz de pequenos ímãs tentando se alinhar. Se as conexões entre esses osciladores representam o problema a ser resolvido, então encontrar o estado geral de menor energia é realizado simplesmente deixando o sistema relaxar em seu estado estável.

O estado final dos osciladores representa uma solução global - no mínimo muito próxima da solução ótima. Ou seja, as máquinas de Ising implementam um atalho de hardware que emprega a tendência da própria natureza em direção à energia mínima.

Já existem versões conhecidas como máquinas de Ising coerentes, que usam pulsos de luz em um loop óptico. Embora funcionem bem até centenas de milhares de spins, elas normalmente exigem um controle preciso de temperatura ou sistemas de estabilização adicionais, e mesmo assim funcionam de forma estável apenas em escalas de tempo de microssegundos a milissegundos.

"Nós nos inspiramos nas máquinas de Ising coerentes e substituímos a luz por pulsos acústicos de radiofrequência, reduzindo significativamente as instabilidades de fase induzidas termicamente, permitindo que o SAWIM opere por horas sem qualquer sistema de estabilização de frequência e compensação térmica," contou Litvinenko - SAWIM é a sigla em inglês para máquina de Ising de ondas acústicas de superfície.

O primeiro processador Ising a laser foi construído há menos de uma década.
[Imagem: L.A. Cicero]

Computação com ondas acústicas

Dentro da máquina, pulsos de micro-ondas criam pacotes de ondas acústicas de superfície que viajam ao longo da superfície de um cristal, armazenando as informações sobre a fase e a amplitude dos spins de Ising equivalentes - cada pacote de onda pode se estabelecer em dois estados de fase estáveis.

O sistema interconecta esses pacotes virtualmente usando um bloco de multiplicação de matriz digital implementado com chips FPGA, para que eles interajam de uma forma que corresponda à matriz de interconexão em um problema de otimização arbitrário. Uma vez que a máquina é ligada, os pacotes de ondas acústicas se auto-organizam na configuração com a menor energia, resolvendo assim o problema combinatório em um enorme espaço de solução.

No estado atual, o protótipo suporta até 50 spins, que podem ser interconectados todos-para-todos, o que é suficiente para resolver tarefas combinatórias de médio porte. Como ele foi construído com componentes eletrônicos padrão disponíveis no mercado e não tem mesas ópticas volumosas, o próximo passo será aumentar o número de spins para milhares ou até dezenas de milhares, mantendo a estabilidade de temperatura inerente à abordagem acústica e o tamanho compacto.

"Estamos no início da exploração da computação estável e comercialmente viável baseada em ondas," disse o professor Litvinenko. "A alta estabilidade térmica das ondas acústicas superficiais nos permite desenvolver ainda mais a complexidade computacional, explorando as oportunidades de mudar de spins binarizados para spins multiníveis, que têm um tremendo potencial para computação combinatória e são difíceis com máquinas ópticas de Ising."

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