Computação probabilística é implementada com luz pela primeira vez

Redação do Site Inovação Tecnológica - 26/07/2023

Esquema de geração controlada de p-bits usando luz.
[Imagem: Charles Roques-Carmes et al. - 10.1126/science.adh4920]

Computação probabilística

Já se sabia que a computação probabilística representa uma ponte para a computação quântica, mas agora essa "computação incerta" mesclou-se com outra abordagem igualmente futurística: a computação baseada em luz, ou computação fotônica.

Charles Carmes e colegas do MIT e da Universidade de Stanford construíram o primeiro processador probabilístico fotônico, o que o torna muito mais rápido porque tudo é feito à velocidade da luz.

Ao contrário dos bits dos computadores tradicionais, os p-bits, ou bits probabilísticos, não têm um valor específico, eles oscilam entre os valores, o que os torna ideais para resolver problemas complexos ou simular processos físicos, que precisam lidar com um elevado nível de incerteza e de aleatoriedade.

É o caso dos complicados problemas de otimização combinatória, comuns na logística, roteamento de redes de computadores, aprendizado de máquina e ciência dos materiais. A previsão do tempo e a inteligência artificial são outros campos que poderão ganhar muito, permitindo o aprendizado de máquina onde os conjuntos de dados de treinamento são deficientes ou contêm incertezas.

Embora já existam protótipos de computadores probabilísticos, os mais avançados são baseados em componentes magnéticos. Fazer tudo com luz pode dar-lhes um adicional de velocidade que os tornará virtualmente imbatíveis.

Criar os p-bits é apenas o primeiro passo para criar um processador probabilístico fotônico.
[Imagem: Charles Roques-Carmes et al. - 10.1126/science.adh4920]

Gerador de p-bits

Os protótipos anteriores de processadores probabilísticos tiram proveito das flutuações aleatórias nas características físicas dos seus componentes, sejam semicondutores ou magnéticos.

Os novos p-bits fotônicos vão muito mais fundo na física, tirando proveito do fato de que o estado de todo sistema mecânico quântico flutua - e esse é o caso de todos os campos eletromagnéticos, inclusive da luz. De fato, em óptica essas flutuações podem ser aproveitadas para a geração de cadeias de dados verdadeiramente aleatórias, o que tem sido usado para gerar números aleatórios para uma criptografia quântica virtualmente insuperável.

Transformar essas flutuações aleatórias em p-bits, contudo, consiste em fazer justamente o oposto que na geração de números aleatórios: Garantir que as distribuições de probabilidade sejam controláveis.

Foi o que a equipe conseguiu agora usando um oscilador paramétrico óptico, essencialmente um sistema no qual a luz fica se refletindo continuamente entre dois espelhos. Usando um campo elétrico, os pesquisadores conseguiram controlar a oscilação de fótons individuais que entram no sistema.

Isso mantém a aleatoriedade que as flutuações do vácuo quântico - em óptica seria mais adequado falar em "escuridão" do que em vácuo - induzem nos fótons, mas permite controlar a distribuição de probabilidade que é gerada e que se transforma no valor do p-bit.

Miniaturização

O sistema de demonstração da equipe conseguiu gerar 10.000 p-bits por segundo, o que é tão rápido quanto demonstrações anteriores, mas com a vantagem de gastar uma fração quase desprezível de energia em relação às versões baseadas na eletrônica.

Esse protótipo ainda é enorme, ocupando toda uma mesa óptica, mas a equipe tem histórico na miniaturização no campo da fotônica, já vindo construindo chips fotônicos para inteligência artificial há alguns anos. O próximo passo será aplicar essas técnicas de miniaturização para os geradores de p-bits de luz.

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