Rival dos computadores quânticos tem avanço revolucionário

Redação do Site Inovação Tecnológica - 31/03/2025

O componente básico dessa computação magnética revolucionária consiste em dois osciladores de tamanho nanométrico.
[Imagem: Victor H. González]

Computação magnética

Pesquisadores suecos descobriram como usar uma propriedade do elétron, até agora largamente inexplorada, para criar um novo tipo de computador que pode rivalizar com os computadores quânticos, e até com algumas vantagens.

Esse novo tipo de computador, mais conhecido como "máquina de Ising", consegue resolver problemas intratáveis para os computadores eletrônicos atuais, incluindo os supercomputadores, mas supera os computadores quânticos em vários quesitos porque consome muito pouca energia e funciona à temperatura ambiente.

Computadores quânticos e máquinas de Ising são úteis para resolver os chamados problemas de otimização combinatória, onde o objetivo é produzir o melhor palpite - em contraposição a uma resposta exata - para a solução de um problema. Muitos modelos de inteligência artificial (IA) têm como objetivo produzir palpites que só precisam ser bons o suficiente. Nos computadores digitais de hoje, contudo, esses cálculos tipicamente analógicos exigem muito poder de computação e, portanto, consomem muita energia.

Uma máquina de Ising funciona como uma rede reprogramável de ímãs artificiais, na qual cada ímã aponta apenas para cima ou para baixo, ou norte e sul, como um sistema magnético de verdade. Usar isto para fazer computação exige que as conexões entre a rede de ímãs seja programada para representar o problema em questão, e a solução pode ser derivada do estado final da máquina, conforme seus componentes se encaminham naturalmente para o estado de mais baixa energia.

Não é um computador quântico de pleno direito, mas um simulador quântico. Mas esse princípio de funcionamento, conhecido como "recozimento quântico", pode ser usado para modelar problemas de otimização combinatória de modo que o estado final dos spins produza a solução ótima. O computador quântico D-Wave funciona usando esse princípio, bem como algumas arquiteturas alternativas de processadores ainda em escala de laboratório.

Os componentes básicos da máquina de Ising são fabricados com tecnologia da microeletrônica dentro de chips.
[Imagem: Akash Kumar et al. - 10.1038/s41567-024-02728-1]

Computador de Ising

Enquanto os computadores atuais exploram a carga dos elétrons, componentes de ponta, feitos com a tecnologia da spintrônica, exploram a natureza magnética decorrente do giro de cada elétron, ou spin.

Isso é feito em camadas nanométricas de materiais magnéticos que são expostos a campos magnéticos, correntes e tensões elétricas. E esses estímulos externos também podem criar ondas de spin, ondulações na magnetização de um material que viajam com uma fase e energia específicas - essas ondas podem ser vistas como quasipartículas, chamadas magnons.

Os pesquisadores conseguiram gerar e controlar as ondas de spin, permitindo uma sincronização mútua controlada por fase entre dois nano-osciladores. Ao controlar a fase dessas ondas, é possível gerar fases binárias na rede.

Com isto, pela primeira vez, eles demonstraram que as ondas de spin podem trafegar tanto em fase quanto fora de fase entre os osciladores. Esse mecanismo pode ser controlado com precisão ajustando o campo magnético, a corrente elétrica, a tensão da porta ou a distância entre os osciladores.

De posse de seus "transistores spintrônicos", a equipe agora está construindo redes de centenas de milhares de osciladores para desenvolver a próxima geração de máquinas de Ising. Como os osciladores operam em temperatura ambiente e têm dimensões em nanoescala, esses componentes poderão ser adaptados tanto a sistemas maiores, como grandes computadores, quanto a dispositivos menores, como um telefone celular.

"Com a ajuda das ondas de spin, estamos mais perto de criar sistemas de computação altamente eficientes e de baixo consumo de energia que podem resolver problemas do mundo real," diz Akash Kumar, da Universidade de Gotemburgo.

Demonstração do funcionamento da unidade fundamental da computação magnética.
[Imagem: Akash Kumar et al. - 10.1038/s41567-024-02728-1]

Como funciona uma máquina de Ising?

A máquina de Ising deve seu nome ao físico alemão Ernst Ising (1900-1998), que idealizou o modelo matemático do magnetismo, conhecido como modelo de Ising.

Um computador de Ising imita como os spins magnéticos em um material físico se organizam para atingir um estado estável. Ele pode ser usado principalmente para resolver problemas complexos de otimização de forma eficiente: Em vez de calcular passo a passo, como nos algoritmos que rodam nos computadores eletrônicos, os spins do sistema trabalham juntos para encontrar rapidamente a melhor solução.

A máquina de Ising é programada pela força das conexões entre os diferentes spins. Se o acoplamento for positivo, os spins apontarão na mesma direção (em fase), e, se for negativo, eles apontarão na direção oposta (fora de fase). A solução para o problema é então lida como a direção final de todos os diferentes spins depois que eles foram alinhados de forma ideal.

Como é um sistema quântico seguindo naturalmente as leis da mecânica quântica, a solução sai muito rápido, muito diferente das incontáveis iterações em um programa comum. Além disso, a máquina de Ising pode ser usada para simular um sistema quântico real, como o comportamento das partículas ditando as propriedades de um material, quando então ele funciona como um simulador quântico.

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