Por quase 80 anos, a computação moderna dependeu de elétrons correndo pelos circuitos. Essa mesma ideia impulsionou as primeiras máquinas eletrônicas, como a ENIAC, e ainda impulsiona os smartphones, laptops e enormes data centers de IA de hoje. 

No entanto, a inteligência artificial está agora expondo uma séria fraqueza na computação eletrônica. Os elétrons geram calor, perdem energia e se tornam cada vez mais difíceis de gerenciar à medida que os chips se tornam mais complexos. 

A formação e a execução de modelos avançados de IA já consomem enormes quantidades de eletricidade, aumentando os receios de que os sistemas futuros possam ficar com muita fome de poder para sustentar de forma eficiente. Os cientistas há muito esperam que os fótons possam resolver esse problema. 

“Por serem neutros em carga e terem massa de repouso zero, os fótons podem transportar informações rapidamente por longas distâncias com perda mínima, dominando a tecnologia de comunicação,” Li He, professor assistente do departamento de física da Universidade Estadual de Montana, disse. 

É por isso que a luz já domina as comunicações pela Internet através de cabos de fibra óptica. No entanto, os fótons apresentam uma grande desvantagem. “Eles mal interagem com o ambiente, o que os torna ruins no tipo de lógica de comutação de sinais da qual os computadores dependem”, acrescentou.

Agora, pesquisadores da Universidade da Pensilvânia dizem que podem ter encontrado uma maneira de contornar essa limitação criando uma estranha partícula híbrida que se comporta tanto como luz quanto como matéria ao mesmo tempo. 

Aproveitando a luz para executar tarefas de computação

Os autores do estudo se concentraram na criação de quase-partículas chamadas exciton-polaritons. Estas não são partículas comuns encontradas na natureza, mas estados híbridos formados quando os fótons se acoplam fortemente a excitações eletrônicas dentro de um material.

Para entender a ideia, imagine fótons e matéria se tornando tão intimamente ligados que param de se comportar de forma independente e, em vez disso, agem como uma entidade combinada. Os pesquisadores conseguiram isso usando um semicondutor monocamada atomicamente fino embutido dentro de uma cavidade óptica em nano-escala projetada para capturar e controlar a luz.

Dentro do dispositivo, os fótons interagiam intensamente com os excitons, que são pares ligados formados quando os elétrons deixam para trás buracos carregados positivamente dentro de um semicondutor. Nas condições certas, a interação tornou-se extremamente forte, produzindo éxciton-polaritons que herdou propriedades de ambos os lados. 

A partir dos fótons, eles ganharam velocidade incrível e movimento de baixa energia. A partir da matéria, eles ganharam a capacidade de interagir fortemente com outros sinais.

“Esta resposta não linear excede em muito a dos materiais ópticos não lineares convencionais, fornecendo um caminho promissor para a computação totalmente óptica e o processamento de informações quântica fotônica,” os autores do estudo nota.

A segunda característica foi o verdadeiro avanço

Os excitons-polaritons em si não são novos e têm sido estudados há anos. Entretanto, alcançar uma forte comutação óptica não linear em energias extremamente baixas em uma plataforma de nano-cavidade compacta continua sendo um grande desafio.

Os sistemas fotônicos tradicionais têm dificuldades porque os fótons normalmente passam uns pelos outros sem interagir. Embora isso seja perfeito para a comunicação, torna-se um grande obstáculo para a computação especialmente para sistemas de IA que exigem operações não lineares e etapas de tomada de decisão. 

Muitos chips experimentais de IA fotônica hoje ainda precisam converter sinais ópticos novamente em eletrônicos para executar essas tarefas. Cada conversão retarda o sistema e desperdiça energia.

Estudos anteriores na computação fotônica, exploramos a fotônica de silício e o hardware de rede neural óptica, mas a maioria dos sistemas ainda depende muito da eletrônica para comutação e controle. 

A nova plataforma exciton-polariton evitou parte desse problema ao permitir a comutação totalmente óptica, onde um sinal luminoso controla diretamente outro sem converter nada em eletricidade. 

Os pesquisadores demonstraram a comutação em uma escala de energia de aproximadamente quatro quatrilionésimos de joule, uma quantidade extraordinariamente pequena de energia que está muito abaixo do que é necessário para alimentar brevemente até mesmo uma pequena luz LED.

“Notavelmente, conseguimos comutação totalmente óptica do espectro da cavidade com energias de excitação tão baixas quanto ∼4 fJ (4×10−15 jaules), estabelecendo uma nova referência para energia de comutação em sistemas exciton-polariton 2D”, disseram os autores do estudo.

O trabalho sugere que a plataforma aborda um dos principais ingredientes ausentes necessários para a futura computação totalmente óptica.

Uma maneira de tornar os data centers de IA sustentáveis

Se a tecnologia puder ser dimensionada com sucesso, poderá reduzir drasticamente as demandas energéticas dos sistemas de inteligência artificial. Moderno A infraestrutura de IA consome grandes quantidades de eletricidade não apenas para processamento, mas também para resfriamento de chips eletrônicos superaquecidos. 

Por exemplo, empresas como a Microsoft estão agora a construir data centers centrados na IA com sistemas avançados de refrigeração líquida devido a densos clusters de processadores de IA gerar tanto calor que o resfriamento de ar tradicional não é mais suficiente. De fato, em algumas instalações, racks repletos de chips de IA podem produzir calor comparável a dezenas de aquecedores de ambiente funcionando continuamente.

Sistemas fotônicos baseados em excitons-polaritons poderiam potencialmente evitar grande parte desse desperdício porque a luz produz muito menos calor do que cargas elétricas em movimento. 

“Este sistema poderia acelerar o desenvolvimento de redes neurais totalmente ópticas para inteligência artificial, onde a computação ocorre inteiramente no domínio óptico —oferecendo velocidade e eficiência energética sem precedentes, além do alcance das arquiteturas eletrônicas”, afirmam os autores do estudo.

Os pesquisadores também acreditam que a plataforma pode permitir que futuros chips fotônicos processem informações visuais diretamente das câmeras, ao mesmo tempo em que reduz conversões repetidas de sinais que atualmente deixam o hardware de IA lento.

No entanto, o presente estudo demonstra um dispositivo de prova de conceito e não um computador prático. A construção de sistemas de computação fotônica em larga escala exigirá a resolução de difíceis desafios de engenharia. 

Os pesquisadores também devem mostrar que a tecnologia pode executar de forma confiável cálculos complexos do mundo real fora de condições laboratoriais controladas. Portanto, mais pesquisas e experimentos são necessários para provar a confiabilidade da plataforma para uso no mundo real.