Neurônio artificial de laser é 10.000x mais rápido que neurônio biológico

Redação do Site Inovação Tecnológica - 15/02/2021

Neurônio artificial feito com um laser de cascateamento quântico.
[Imagem: Spitz et al. - 10.1117/1.AP.2.6.066001]

Eventos extremos

Eventos extremos ocorrem em muitos contextos: A natureza, por exemplo, vez por outra nos apresenta ondas gigantescas, trombas d'água, tufões etc.

A óptica também tem suas idiossincrasias, por exemplo, nas telecomunicações por fibras ópticas.

Quando os cabos de fibras ópticas são longos o suficiente, uma série de flutuações podem começar a se acumular e multiplicar até chegar a um evento extremo, que pode ter consequências que vão desde a perda da mensagem até danos aos componentes físicos da rede.

Recentemente, uma equipe da Alemanha, EUA e França observou esses eventos em lasers de cascateamento quântico usados em telecomunicações e estudou o fenômeno até descobrir "onde a borboleta batia as asas" para disparar o evento extremo quilômetros à frente na fibra óptica - o efeito borboleta faz parte da teoria do caos, que estabelece que pequenas mudanças nas condições iniciais de um sistema podem ter grandes efeitos ao longo do tempo.

Neurônio de laser

Mas Olivier Spitz e seus colegas fizeram mais do que isto.

Ao decifrar o que disparava o evento indesejável - um pulso de excitação, um aumento rápido e de pequena amplitude da corrente de polarização - a equipe descobriu que o fenômeno pode ter um uso prático em uma das áreas mais promissoras da tecnologia: a computação neuromórfica.

Acontece que o evento extremo - um pulso óptico de alta potência - pode funcionar como o sinal de disparo de um neurônio artificial, permitindo criar sistemas de computação analógica que imitam o funcionamento do cérebro.

Na verdade, essa sinapse artificial de luz é 10.000 vezes mais rápida do que as sinapses dos neurônios biológicos.

O objetivo final é construir neuroprocessadores que funcionem à velocidade da luz.
[Imagem: Fun-COMP project]

Mais do que isso, o sistema de neurônios ópticos da equipe demonstrou comportamentos semelhantes aos observados nos neurônios biológicos, como limiar de disparo, pico fásico e pico tônico.

"O sistema neuromórfico requer um estímulo forte e superliminar para o sistema liberar uma resposta de disparo, enquanto os disparos fásico e tônico correspondem a disparos únicos ou contínuos após a chegada de um estímulo," conta o professor Frédéric Grillot, da Universidade do Novo México.

E os intervalos de tempo entre os picos podem ser ajustados com precisão por meio da modulação e da frequência.

Laser de cascateamento quântico

Estes resultados demonstram o potencial cada vez mais superior dos lasers de cascateamento quântico em comparação com os lasers comuns de diodo, para os quais são necessárias técnicas mais complexas para atingir propriedades neuromórficas.

Demonstrados experimentalmente pela primeira vez em 1994, os lasers de cascateamento quântico foram originalmente desenvolvidos para uso em temperaturas criogênicas, baseando-se em uma física totalmente diferente dos diodos laser.

Contudo, seu desenvolvimento avançou rapidamente, permitindo a criação de fontes operando em temperaturas mais quentes, até a temperatura ambiente. Devido ao grande número de comprimentos de onda (cores) que podem atingir (de 3 a 300 micrômetros), esses lasers quânticos têm contribuído para muitas aplicações industriais, como espectroscopia, contramedidas ópticas e comunicações em espaço livre.

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