Luz substitui transístor e faz computação um milhão de vezes mais rápida

Redação do Site Inovação Tecnológica - 12/12/2022

A porta lógica de quiralidade óptica é feita de um material que emite luz com polarização circular diferente dependendo da quiralidade dos feixes de entrada.
[Imagem: Yi Zhang et al. - 10.1126/sciadv.abq8246]

Computação com luz

Os transistores são a unidade básica com que os computadores são construídos.

Mas eles são apenas chaves liga/desliga e, para fazerem computações, precisam ser organizados em portas lógicas, pequenos circuitos fundamentais que comparam os valores de dois bits e "tomam decisões" - geram uma saída determinada - dependendo dos valores de cada um.

Essas portas lógicas são, portanto, eletrônicas, funcionando conforme os elétrons passam ou não por elas.

Mais recentemente, contudo, o foco tem-se deslocado para as portas lógicas ópticas, ou fotônicas, baseadas em luz, que podem ser imensamente mais rápidas e consumirem uma fração da energia - virtualmente sem gerarem qualquer aquecimento no processador.

Agora, Yi Zhang e colegas da Universidade Aalto, na Finlândia, construíram um novo tipo de porta lógica óptica que opera cerca de um milhão de vezes mais rápido do que as tecnologias existentes, criando uma nova abordagem para os processadores de luz.

A nova abordagem usa luz polarizada circularmente como sinal de entrada, ou seja, ela se baseia na chamada quiralidade óptica, o fato de o feixe de luz estar girando à esquerda ou à direita conforme se propaga - este é um fenômeno só recentemente domado, conhecido como "luz torcida".

Enquanto um transístor guarda um bit "0" ou "1" nos seus estados desligado e ligado, as portas ópticas representam o "0" com a luz girando à direita, e o "1" com a luz girando à esquerda (ou vice-versa).

A equipe já demonstrou todas as portas lógicas necessárias para a computação.
[Imagem: Yi Zhang et al. - 10.1126/sciadv.abq8246]

Portas lógicas de luz

Em lugar dos semicondutores com que são feitos os transistores, as portas lógicas ópticas são feitas de materiais cristalinos - a equipe usou molibdenita - que são sensíveis à lateralidade de um feixe de luz circularmente polarizado, isto é, a luz emitida pelo cristal depende da lateralidade dos feixes de entrada.

Isso serve como o bloco de construção básico para um tipo de porta lógica (XNOR), e os tipos restantes de portas lógicas são construídos adicionando filtros ou outros componentes ópticos. A equipe demonstrou isto construindo portas AND, XOR, OR e NAND, que realizam diferentes operações nos dados.

E também demonstraram que essas operações podem ser realizadas em dados em paralelo, e não em série, o que abre caminho para grandes melhorias na eficiência e na velocidade dos cálculos. Além disso, um único componente pode conter todas as suas portas lógicas de quiralidade operando simultaneamente em paralelo, o que é um avanço significativo em relação às portas lógicas já demonstradas, que só podem realizar uma única operação lógica por vez.

Por fim, a equipe demonstrou que a porta lógica de quiralidade pode ser controlada e configurada eletronicamente, uma etapa necessária para a computação híbrida optoeletrônica. E, como os fótons são rotineiramente usados na computação quântica, há ainda a possibilidade de criar computadores híbridos quântico-clássicos.

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