Coprocessador metatrônico resolve equações na velocidade da luz

Redação do Site Inovação Tecnológica - 05/11/2024

Ondas eletromagnéticas resolvem equações diferenciais parciais na velocidade da luz.
[Imagem: Ross Glyn MacDonald et al. - 10.1117/1.APN.3.5.056007]

Equações diferenciais parciais

Nas áreas da física, da matemática e da engenharia, as equações diferenciais parciais (EDPs) são essenciais para modelar vários fenômenos, desde a difusão de calor até o movimento das partículas e a propagação de ondas.

Embora algumas EDPs possam ser resolvidas analiticamente, muitas dessas equações exigem métodos numéricos, que podem ser demorados e computacionalmente intensivos, um desafio mesmo para os supercomputadores mais modernos.

Para lidar com esses desafios, os cientistas têm explorado paradigmas de computação alternativos, incluindo a computação fotônica, que usa luz em lugar da eletricidade.

Essa arquitetura de computação com luz tira proveito das interações luz-matéria para realizar cálculos em alta velocidade e modo altamente paralelizado.

Ross MacDonald e seus colegas da Universidade de Newcastle, no Reino Unido, usaram agora essa arquitetura para desenvolver uma nova abordagem para resolver EDPs usando ondas eletromagnéticas (luz em diversos comprimentos de onda), implementando especificamente um processamento direto da equação de onda de Helmholtz, uma equação diferencial que descreve a propagação de ondas em inúmeros fenômenos físicos.

Segundo a equipe, este desenvolvimento representa um passo significativo no campo da computação analógica, como uma maneira promissora de resolver equações complexas de forma rápida e eficiente.

É uma versão óptica de um circuito de elementos T.
[Imagem: Ross Glyn MacDonald et al. - 10.1117/1.APN.3.5.056007]

Circuitos T ópticos

A plataforma de computação fotônica consiste em uma rede de guias de onda interconectados, preenchidos com inserções dielétricas, imitando o comportamento dos componentes de circuito tradicionais.

Essa estrutura inovadora compõe uma rede metatrônica, uma junção de metamateriais com eletrônica. Neste caso, ela efetivamente se comporta como uma rede de circuitos T, um circuito elétrico básico com três elementos conectados em forma de T, utilizado em diversas aplicações, como filtros, casamento de impedâncias e divisores de tensão.

Ao ajustar as dimensões e a permissividade das inserções dielétricas, os pesquisadores demonstraram que é possível controlar os parâmetros das EDPs (equações diferenciais parciais). Isso permite que a rede resolva vários problemas de valor de contorno, como espalhamento de ondas eletromagnéticas e focalização da luz.

A implementação criada pela equipe pode funcionar como um coprocessador analógico.
[Imagem: Ross Glyn MacDonald et al. - 10.1117/1.APN.3.5.056007]

Coprocessador número óptico

Embora esta não seja uma plataforma computacional completa por si só, esses dispositivos têm potencial como aceleradores computacionais, assim como as placas gráficas ajudam os processadores eletrônicos a lidarem melhor com as imagens - seria algo como um coprocessador número óptico.

"Vislumbramos que esses dispositivos possam ser usados para produzir soluções aproximadas rápidas para várias equações diferenciais parciais," disse o professor Victor Pacheco-Peña. De fato, várias equipes têm trabalhado para criar processadores fotônicos que fazem computação analógica com luz usando a metatrônica.

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