Nova forma de computação é feita multiplicando ondas de luz

Com informações da Universidade de Cambridge - 26/02/2021

As fases de luz provenientes de várias quasipartículas se combinam para mudar as fases de cada pulso de luz até que a solução seja encontrada.
[Imagem: Gleb Berloff]

Computação óptica ou fotônica

Uma classe importante de problemas computacionais particularmente difíceis de resolver, com aplicações na teoria dos grafos, redes neurais, inteligência artificial e códigos de correção de erros, pode ser resolvida multiplicando ondas de luz.

Este novo tipo de computação está sendo proposto por Natalia Berloff (Universidade de Cambridge, no Reino Unido) e Nikita Stroev (Instituto Skolkovo de Ciência e Tecnologia, na Rússia).

É um tipo de computação analógica que reduz drasticamente o número de sinais de luz necessários para fazer os cálculos, ao mesmo tempo que simplifica a busca pelas melhores soluções matemáticas, viabilizando computadores ópticos ultrarrápidos.

A computação óptica ou fotônica usa fótons produzidos por lasers ou LEDs para computação, ao contrário dos computadores clássicos, que usam elétrons.

Uma vez que os fótons são essencialmente sem massa e podem viajar mais rápido do que os elétrons, um computador óptico seria superrápido, energeticamente eficiente e capaz de processar informações simultaneamente por meio de vários canais ópticos temporais ou espaciais.

Multiplicação da luz

Outra proposta recente de processador de luz foi fabricado em uma impressora 3D.
[Imagem: Muhammed Veli et al. - 10.1038/s41467-020-20268-z]

O elemento de computação em um computador óptico - que faz as vezes dos 0s e 1s de um computador digital - é representado pela fase contínua do sinal de luz, e a computação é normalmente obtida adicionando duas ondas de luz provenientes de duas fontes diferentes e, em seguida, projetando o resultado também na forma de um estado 0 ou 1.

No entanto, a vida real apresenta problemas altamente não-lineares, onde várias incógnitas alteram simultaneamente os valores de outras incógnitas conforme interagem multiplicativamente. Nesse caso, a abordagem tradicional de computação óptica, que soma ondas de luz de maneira linear, simplesmente não funciona.

Agora, Berloff e Stroev descobriram que os sistemas ópticos podem combinar a luz multiplicando as funções de onda que descrevem as ondas de luz - em vez de adicioná-las.

Eles ilustraram esse fenômeno com quasipartículas, chamadas polaritons - que são meio luz e meio matéria -, usando sistemas ópticos comuns, como pulsos de luz em uma fibra óptica. Pequenos pulsos ou bolhas de polaritons em movimento superrápido e coerentes podem ser criados no espaço e se sobrepor uns aos outros de uma forma não-linear, devido ao componente de matéria dos polaritons.

"Nós descobrimos que o ingrediente principal é como você acopla os pulsos uns aos outros," descreveu Stroev. "Se você ajustar corretamente o acoplamento e a intensidade da luz, a luz se multiplica, afetando as fases dos pulsos individuais, dando a resposta ao problema. Isso torna possível usar a luz para resolver problemas não-lineares."

As redes neurais de luz processam petabytes por segundo, mas ainda precisam ganhar robustez para alcançar uso prático.
[Imagem: Mario Miscuglio et al. - 10.1364/OPTICA.408659]

Computadores de luz

A multiplicação das funções de onda para determinar a fase do sinal luminoso em cada elemento desses sistemas ópticos advém da não-linearidade que ocorre naturalmente ou que é introduzida externamente no sistema.

"O que foi surpreendente é que não há necessidade de projetar as fases de luz contínua nos estados '0' e '1' necessários para resolver problemas em variáveis binárias," disse Stroev. "Em vez disso, o sistema tende a produzir esses estados ao final de sua busca pela configuração de energia mínima. Esta é a propriedade que vem da multiplicação dos sinais de luz. Ao contrário, máquinas ópticas anteriores requerem uma excitação ressonante que fixa externamente as fases aos valores binários."

Ainda existem muitos desafios a serem vencidos antes que a computação óptica possa demonstrar sua superioridade na resolução de problemas práticos, para poder começar a se tornar um concorrente sério aos computadores eletrônicos modernos. Entre esses desafios estão a redução de ruído, a correção de erros e a escalabilidade.

Mas isso não desanima a dupla, porque eles acreditam que os ganhos valem a pena.

"Mudar nossa estrutura para abordar diretamente diferentes tipos de problemas pode trazer as máquinas de computação óptica mais perto de resolver problemas do mundo real que não podem ser resolvidos por computadores clássicos," disse Berloff.

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