Nova forma de computao feita multiplicando ondas de luz

Informtica

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

Computao ptica ou fotnica

Uma classe importante de problemas computacionais particularmente difceis de resolver, com aplicaes na teoria dos grafos, redes neurais, inteligncia artificial e cdigos de correo de erros, pode ser resolvida multiplicando ondas de luz.

Este novo tipo de computao est sendo proposto por Natalia Berloff (Universidade de Cambridge, no Reino Unido) e Nikita Stroev (Instituto Skolkovo de Cincia e Tecnologia, na Rssia).

um tipo de computao analgica que reduz drasticamente o nmero de sinais de luz necessrios para fazer os clculos, ao mesmo tempo que simplifica a busca pelas melhores solues matemticas, viabilizando computadores pticos ultrarrpidos.

A computao ptica ou fotnica usa ftons produzidos por lasers ou LEDs para computao, ao contrrio dos computadores clssicos, que usam eltrons.

Uma vez que os ftons so essencialmente sem massa e podem viajar mais rpido do que os eltrons, um computador ptico seria superrpido, energeticamente eficiente e capaz de processar informaes simultaneamente por meio de vrios canais pticos temporais ou espaciais.

Multiplicao da luz

O elemento de computao em um computador ptico – que faz as vezes dos 0s e 1s de um computador digital – representado pela fase contnua do sinal de luz, e a computao normalmente obtida adicionando duas ondas de luz provenientes de duas fontes diferentes e, em seguida, projetando o resultado tambm na forma de um estado 0 ou 1.

No entanto, a vida real apresenta problemas altamente no-lineares, onde vrias incgnitas alteram simultaneamente os valores de outras incgnitas conforme interagem multiplicativamente. Nesse caso, a abordagem tradicional de computao ptica, que soma ondas de luz de maneira linear, simplesmente no funciona.

Agora, Berloff e Stroev descobriram que os sistemas pticos podem combinar a luz multiplicando as funes de onda que descrevem as ondas de luz – em vez de adicion-las.

Eles ilustraram esse fenmeno com quasipartculas, chamadas polaritons – que so meio luz e meio matria -, usando sistemas pticos comuns, como pulsos de luz em uma fibra ptica. Pequenos pulsos ou bolhas de polaritons em movimento superrpido e coerentes podem ser criados no espao e se sobrepor uns aos outros de uma forma no-linear, devido ao componente de matria dos polaritons.

“Ns descobrimos que o ingrediente principal como voc acopla os pulsos uns aos outros,” descreveu Stroev. “Se voc 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 possvel usar a luz para resolver problemas no-lineares.”

Computadores de luz

A multiplicao das funes de onda para determinar a fase do sinal luminoso em cada elemento desses sistemas pticos advm da no-linearidade que ocorre naturalmente ou que introduzida externamente no sistema.

“O que foi surpreendente que no h necessidade de projetar as fases de luz contnua nos estados ‘0’ e ‘1’ necessrios para resolver problemas em variveis binrias,” disse Stroev. “Em vez disso, o sistema tende a produzir esses estados ao final de sua busca pela configurao de energia mnima. Esta a propriedade que vem da multiplicao dos sinais de luz. Ao contrrio, mquinas pticas anteriores requerem uma excitao ressonante que fixa externamente as fases aos valores binrios.”

Ainda existem muitos desafios a serem vencidos antes que a computao ptica possa demonstrar sua superioridade na resoluo de problemas prticos, para poder comear a se tornar um concorrente srio aos computadores eletrnicos modernos. Entre esses desafios esto a reduo de rudo, a correo de erros e a escalabilidade.

Mas isso no 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 mquinas de computao ptica mais perto de resolver problemas do mundo real que no podem ser resolvidos por computadores clssicos,” disse Berloff.

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