Processador de luz agora faz qualquer cálculo na hora e sem gastar energia

Redação do Site Inovação Tecnológica - 30/09/2021

Cálculo de uma transformada arbitrária usando o processador de luz passivo - a única energia gasta é a da luz que incide no dispositivo para fazer o cálculo instantaneamente.
[Imagem: Ozcan Lab/UCLA]

Processador de luz

Há alguns anos, a equipe do professor Aydogan Ozcan, da Universidade da Califórnia de Los Angeles, vem inovando na área dos processadores de luz, verdadeiros computadores sem nenhum componente eletrônico.

O processador de luz é formado por uma série de superfícies opticamente difrativas, impressas em 3-D e superpostas em camadas, que trabalham em conjunto para processar as informações e resolver equações complexas na velocidade da luz - a resposta sai direto na última camada.

Cada ponto em cada camada é projetado para funcionar como um neurônio artificial, que é conectado aos neurônios das camadas seguintes por difração óptica - a difração é o redirecionamento, ou espalhamento, da onda quando ela encontra um obstáculo.

Isto permite executar instantaneamente diferentes formas de transformações lineares, como a transformada de Fourier, útil em um sem-número de aplicações, mas intensiva em computação. Com isto, a velocidade dos programas hoje é limitada pela capacidade do processador eletrônico que está sendo usado, o que cria um gargalo conforme os dados e o tamanho da imagem aumentam.

A solução adotada por Ozcan - e várias outras equipes - para esse problema é substituir os processadores digitais por processadores ópticos, usando a luz para processar as informações na velocidade última do Universo - a solução da transformada é virtualmente instantânea.

Protótipo e princípio de funcionamento do processador de luz, formado por camadas difrativas.
[Imagem: J. Li et al. - 10.1126/sciadv.abd7690]

Processador de luz para cálculos arbitrários

A equipe agora deu um novo nível de flexibilidade e versatilidade aos seus processadores ópticos passivos, com um método de projeto das camadas refrativas baseado em aprendizado profundo, o que permitiu fazer uma computação totalmente óptica de uma transformação linear arbitrária, e não mais de cálculos específicos.

As demonstrações feitas pela equipe indicam que o projeto baseado em aprendizagem profunda desses processadores difrativos totalmente ópticos pode sintetizar com precisão qualquer transformação linear arbitrária entre um plano de entrada e um plano de saída, e a precisão e a eficiência de difração das transformações ópticas resultantes melhoram significativamente conforme o número de superfícies difrativas aumenta.

Isso confirma que processadores difrativos mais profundos - com mais níveis e, portanto, mais neurônios - são mais poderosos em termos computacionais.

O método foi demonstrado com sucesso realizando uma ampla gama de transformações lineares, incluindo, por exemplo, transformações de fase e de amplitude geradas aleatoriamente, a transformada de Fourier, permutação de imagem e operações de filtragem.

Segundo a equipe, esta estrutura de computação pode ser amplamente aplicada a qualquer parte do espectro eletromagnético, realizar universalmente uma transformação linear arbitrária de valor complexo e pode ser usada para formar redes de processamento de informações totalmente ópticas "para executar uma tarefa computacional desejada entre um plano de entrada e saída, fornecendo uma alternativa passiva e sem energia aos processadores digitais".

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