É possível construir um computador com um único átomo

Redação do Site Inovação Tecnológica - 24/02/2023

Cálculos realizados via Geração de Altos Harmônicos são análogos aos métodos digitais padrão - trata-se da produção de tons harmônicos de alta frequência acionando um sistema com um pulso de laser.
[Imagem: McCaul et al. - 10.1140/epjp/s13360-023-03649-3]

Computador de um átomo

Definir um computador como qualquer coisa que processa informações, recebendo uma entrada e produzindo uma saída, levanta algumas questões interessantes.

Por exemplo, quais tipos de objetos podem realizar cálculos? E quais são os menores objetos que podem ser considerados capazes de computação?

À medida que os transistores se aproximam do limite da miniaturização, essas questões são mais do que meras curiosidades: As respostas para elas podem formar a base de um novo paradigma de computação.

Gerard McCaul e seus colegas da Universidade de Tulane, nos EUA, demonstraram agora que mesmo um dos constituintes mais básicos da matéria - um átomo - pode funcionar como um computador, e de um tipo que faz uma computação extremamente promissora e eficiente, chamada computação de reservatório, em que a maior parte dos cálculos é realizada pelo próprio sistema, sem requerer energia adicional.

Melhor ainda, nessa computação de reservatório baseada em um átomo individual todo o processamento de entrada e saída é óptico, ou seja, feito com luz.

Depois de codificar as informações no pulso do laser, o computador atômico atua como reservatório, realizando uma transformação espacial não linear nos dados.
[Imagem: McCaul et al. - 10.1140/epjp/s13360-023-03649-3]

Computador atômico

A equipe idealizou um computador não-linear de átomo único, com as informações de entrada codificadas diretamente na luz, e a saída também na forma de luz. O cálculo é então determinado pelos filtros pelos quais a saída de luz é dirigida.

"Nossa pesquisa confirmou que essa abordagem funciona em princípio, bem como confirmou o fato de que o sistema tem um desempenho melhor quando a luz de entrada é projetada para induzir um grau mais alto de não-linearidade no sistema," disse McCaul.

O trabalho mostra matematicamente que o átomo "processa" a luz de entrada por meio de um processo conhecido como geração de altos harmônicos, em que o átomo produz variações do sinal óptico de entrada em outras frequências, permitindo executar tarefas como a classificação de dados. A eficiência e a velocidade de processamento é tanta que, segundo a equipe "isso pode abrir caminho para o desenvolvimento de plataformas de processamento de informações petahertz".

"Eu provavelmente argumentaria que o que estamos tentando enfatizar com este trabalho é que o sistema mínimo capaz de computar realmente existe no nível de um único átomo e que a computação pode ser realizada puramente com processos ópticos," acrescentou McCaul.

Similaridade entre um computador de átomo único e um computador quântico. Tanto a entrada quanto a saída são divididas em três períodos de tempo correspondentes à preparação do estado, emulação de uma porta unitária e tomografia para ler o resultado da computação.
[Imagem: McCaul et al. - 10.1140/epjp/s13360-023-03649-3]

Todo resultado tem sua computação

Foi a ideia de que a capacidade de computação é uma propriedade universal de todos os sistemas físicos que levou a desenvolvimentos como o da computação de reservatório ou mesmo da computação neuromórfica.

O conceito é interessante porque abre caminho para arquiteturas de computação flexíveis o suficiente para que qualquer resultado (ou saída) possa ser obtido dispondo-se da informação (ou entrada) adequada.

De fato, levar esse conceito para um átomo é apenas mais um jeito de olhar para a questão, mas era importante demonstrar que há mecanismos disponíveis para tirar proveito disso.

Foi isto o que os pesquisadores demonstraram em seu trabalho.

"Se queremos algum resultado computacional dado, temos a garantia de que existe alguma entrada para a computação que o alcançará," resumiu McCaul.

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