Materiais Avançados

Equações são resolvidas na hora usando luz - sem computador

Metamateriais usam luz e computação analógica para resolver equações
O segredo para a solução das equações está nesta estrutura esburacada que lembra um queijo. [Imagem: Nasim Mohammadi Estakhri et al. - 10.1126/science.aaw2498]

Computação fotônica

Os metamateriais podem fazer mais do que manipular todos os tipos de ondas, das ondas de luz, para deixar as coisas invisíveis, às ondas de terremotos e tsunamis, para nos proteger de eventos naturais catastróficos.

Eles também podem computar, fazer cálculos, abrindo o caminho para automações ainda hoje impensáveis.

Nasim Estakhri, da Universidade da Pensilvânia, nos EUA, projetou e construiu um metamaterial capaz de resolver equações integrais.

O dispositivo funciona codificando parâmetros nas propriedades de uma onda eletromagnética de entrada. Quando a luz chega ao metamaterial, a estrutura precisamente projetada manipula a onda de tal maneira que ela sai codificada com a solução para uma equação integral predefinida para aquela entrada arbitrária.

Nesta primeira versão, os "cálculos fotônicos" foram feitos com micro-ondas, uma vez que seus comprimentos de onda mais longos facilitam a construção do dispositivo de cálculo. Os princípios de construção, contudo, podem ser reduzidos até as ondas de luz visível, eventualmente permitindo encaixar tudo dentro de um microchip.

Como opera com luz, o metamaterial computacional é muito mais rápido do que qualquer computador e usa menos energia, ainda que, no atual estágio, ele não seja reprogramável. Outra diferença é que sua computação é analógica, e não digital, como os computadores atuais.

Luz na solução de equações integrais

O dispositivo usa uma matriz de pequenos buracos vazios para manipular as ondas - a equipe o chama de "queijo suíço".

"Essa estrutura foi calculada através de um processo computacional conhecido como 'design inverso', que pode ser usado para encontrar formas que nenhum humano pensaria em tentar. Controlar as interações das ondas eletromagnéticas com esta metaestrutura de queijo suíço é a chave para resolver a equação. Uma vez que o sistema está devidamente montado, a saída que você obtém do sistema é a solução para uma equação integral," explica a equipe.

O padrão de regiões ocas no metamaterial é predeterminado para resolver uma equação integral com um dado "núcleo", a parte da equação que descreve a relação entre duas variáveis. Essa classe geral de equações integrais, conhecida como "equações integrais de Fredholm do segundo tipo", é uma maneira comum de descrever diferentes fenômenos físicos em uma variedade de campos científicos.

A equação predefinida pode ser resolvida para quaisquer entradas arbitrárias, que são representadas pelas fases e magnitudes das ondas que são introduzidas no dispositivo.

Metamateriais usam luz e computação analógica para resolver equações
Este pode ser um dos primeiros computadores fotônicos analógicos, um conceito no qual a equipe vem trabalhando há alguns anos. [Imagem: Eric Sucar]

Computação analógica

Miniaturizar o conceito para que ele possa operar com ondas de luz e ser colocado em um microchip não apenas o tornaria mais prático para a computação, mas também abriria as portas para outras tecnologias que tornaria os metamateriais computacionais mais parecidos com os computadores digitais multiuso.

Usando micro-ondas, o resultado sai na casa dos nanossegundos. Quando chegar à luz visível, com um comprimento de onda menor, o resultado poderá ser obtido na casa dos picossegundos, eventualmente tornando essa forma de computação analógica mais rápida do que a computação digital.

"Nós poderíamos usar a tecnologia usada nos CDs regraváveis para fazer novos padrões de queijo suíço conforme a necessidade. Algum dia você poderá imprimir seu próprio computador analógico reconfigurável em casa!" prevê o professor Nader Engheta, coordenador da equipe.

Bibliografia:

Inverse-designed metastructures that solve equations
Nasim Mohammadi Estakhri, Brian Edwards, Nader Engheta
Science
Vol.: 363, Issue 6433, pp. 1333-1338
DOI: 10.1126/science.aaw2498




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