Tecnologia Científica

Multiplicar a luz pode ser a chave para computadores ópticos ultra-poderosos
Um novo tipo de computação óptica pode resolver problemas altamente complexos que estão fora do alcance até mesmo dos supercomputadores mais poderosos.
Por Sarah Collins - 09/02/2021


Impressão artística de pulsos de luz dentro de um computador óptico - Crédito: Gleb Berloff, Hills Road Sixth Form College

Uma classe importante de problemas computacionais desafiadores, com aplicações em teoria dos grafos, redes neurais, inteligência artificial e códigos de correção de erros, pode ser resolvida pela multiplicação de sinais de luz, de acordo com pesquisadores da Universidade de Cambridge e do Instituto de Ciência e Tecnologia Skolkovo da Rússia.

Em um artigo publicado na revista Physical Review Letters , eles propõem um novo tipo de computação que pode revolucionar a computação analógica ao reduzir drasticamente o número de sinais de luz necessários, ao mesmo tempo que simplifica a busca pelas melhores soluções matemáticas, permitindo computadores ópticos ultrarrápidos.

A computação óptica ou fotônica usa fótons produzidos por lasers ou diodos 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 super rápido, energeticamente eficiente e capaz de processar informações simultaneamente por meio de vários canais ópticos temporais ou espaciais.

O elemento de computação em um computador óptico - uma alternativa aos uns e zeros 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 nos estados '0' ou '1'.

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

“Descobrimos que o ingrediente principal é como você acopla os pulsos uns aos outros”, disse Stroev. “Se você acertar o acoplamento e a intensidade da luz, a luz se multiplica, afetando as fases dos pulsos individuais, dando a resposta para o problema. Isso torna possível usar a luz para resolver problemas não lineares. ”


Agora, a professora Natalia Berloff do Departamento de Matemática Aplicada e Física Teórica de Cambridge e a estudante de PhD Nikita Stroev do Instituto Skolkovo de Ciência e Tecnologia descobriram que os sistemas ópticos podem combinar luz multiplicando as funções de onda que descrevem as ondas de luz em vez de adicioná-las e podem representar um tipo diferente de conexão entre as ondas de luz.

Eles ilustraram esse fenômeno com quase-partículas chamadas polaritons - que são meia-luz e meia-matéria - enquanto estendiam a ideia a uma classe maior de sistemas ópticos, como pulsos de luz em uma fibra. Pequenos pulsos ou bolhas de polaritons em movimento super rápido 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.

“Descobrimos que o ingrediente principal é como você acopla os pulsos uns aos outros”, disse Stroev. “Se você acertar o acoplamento e a intensidade da luz, a luz se multiplica, afetando as fases dos pulsos individuais, dando a resposta para o problema. Isso torna possível usar a luz para resolver problemas não lineares. ”

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 é introduzida externamente ao sistema.

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

Os autores também sugeriram e implementaram uma maneira de guiar as trajetórias do sistema em direção à solução, alterando temporariamente as forças de acoplamento dos sinais.

“Devemos começar a identificar diferentes classes de problemas que podem ser resolvidos diretamente por um processador físico dedicado”, disse Berloff, que também ocupa um cargo no Instituto de Ciência e Tecnologia Skolkovo. “Os problemas de otimização binária de ordem superior são uma dessas classes, e os sistemas ópticos podem se tornar muito eficientes para resolvê-los.”

Ainda existem muitos desafios a serem vencidos antes que a computação óptica possa demonstrar sua superioridade na resolução de problemas difíceis em comparação com os computadores eletrônicos modernos: redução de ruído, correção de erros, escalabilidade aprimorada, guiando o sistema para a verdadeira melhor solução estão entre eles.

“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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