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Processador fotônico de metamateriais permite computação analógica com luz

Processador fotônico de metamateriais permite computação analógica com luz
Os metamateriais podem ser usados para executar cálculos matemáticos usando unicamente ondas de luz - na entrada de dados, na execução das computações propriamente ditas e na saída dos resultados. [Imagem: Alexandre da Silva et al./Science]

Um brasileiro é o principal autor de uma proposta que pode mudar a forma como pensamos os computadores e seus processadores eletrônicos e binários.

Alexandre Silva (Unicamp) e Francesco Monticone (Universidade do Texas em Austin) estão atualmente realizando estágios de pós-doutoramento na equipe do professor Nader Engheta (Universidade da Pensilvânia), um especialista no campo dos metamateriais.

Alexandre preparou uma simulação que mostra como ondas eletromagnéticas, devidamente manipuladas por metamateriais, podem ser usadas para executar diretamente inúmeras funções matemáticas.

Isso pode significar nada menos do que a superação da computação binária, viabilizando uma computação analógica com base em processadores fotônicos ultrafinos e com baixíssimo consumo de energia, tudo funcionando unicamente com luz.

Computação com metamateriais

Os metamateriais há muito deixaram de ser usados apenas na construção de mantos da invisibilidade - que, a propósito, estão se tornando cada vez melhores.

Só para citar os avanços mais recentes, os metamateriais estão sendo usados em tecnologias holográficas e na emergente foxônica, graças a fenômenos inusitados, como a multiplicação da luz e a condução da luz em qualquer direção.

Agora, Alexandre e seus colegas demonstraram teoricamente que esses materiais podem ser usados para executar cálculos matemáticos usando unicamente ondas de luz - na entrada de dados, na execução das computações propriamente ditas e na saída dos resultados.

Este deverá ser um passo crucial no campo da metatrônica, uma nova arquitetura de computação baseada não mais em transistores e elétrons, mas em metamateriais e ondas de luz.

Os cálculos fotônicos são realizados conforme uma onda de luz passa por um metamaterial especificamente projetado.

Uma onda de luz, quando descrita em termos de espaço e de tempo, possui um perfil no espaço que pode ser visualizado na forma de uma curva em um plano cartesiano.

Alexandre e seus colegas idealizaram um material artificial que pode realizar uma operação matemática específica no perfil dessa onda conforme a onda de luz passa através do material.

Essencialmente, disparar uma onda de luz sobre um dos lados do metamaterial fará com que o resultado do cálculo - um perfil de onda derivado - saia do outro lado. Além de efetuar diretamente cálculos como a primeira e a segunda derivadas da onda, os metamateriais poderiam fazer outras operações, como a integração e a convolução.

Processador fotônico de metamateriais permite computação analógica com luz
Cada operação matemática é executada conforme a onda de luz passa através do metamaterial. [Imagem: Alexandre Alves da Silva et al./Science]

Computação analógica

Visualizar e manipular esses "perfis" de onda é uma tarefa corriqueira em aplicações como o processamento de imagem, embora hoje isso seja feito depois que a onda de luz foi convertida em sinais eletrônicos, na forma de informação digital.

A proposta da computação fotônica analógica é que os metamateriais computacionais podem realizar essas operações quase que instantaneamente e sobre a onda original - como a luz que vem através da lente de uma câmera ou por uma fibra óptica, sem sua conversão em sinais eletrônicos.

Antes do advento dos computadores digitais, os cálculos eram feitos analogicamente, com calculadoras mecânicas repletas de eixos e engrenagens, tudo acionado mecanicamente.

Os transistores e demais componentes eletrônicos permitiram a construção de processadores minúsculos, muitíssimo mais rápidos e funcionando eletronicamente, marcando o advento da computação digital, onde qualquer coisa é convertida para uma base binária, onde os 0s e 1s são representados essencialmente por chaves liga-desliga.

A metatrônica promete um retorno à computação analógica, mas sem engrenagens e eixos, com a computação sendo feita inteiramente com luz, em nanocircuitos muito menores do que os processadores atuais, muitíssimo mais rápidos e com um consumo quase desprezível de energia.

Embora o mesmo grupo já tenha demonstrado os primeiros circuitos lógicos ópticos na prática, agora será necessário construir os metamateriais capazes de realizar os cálculos previstos.

Bibliografia:

Performing Mathematical Operations with Metamaterials
Alexandre Silva, Francesco Monticone, Giuseppe Castaldi, Vincenzo Galdi, Andrea Alù, Nader Engheta
Science
Vol.: 343 - PP 160-163
DOI: 10.1126/science.1242818




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