Uma equipa de investigação da Universidade da Pensilvânia, nos EUA, superou um obstáculo fundamental na área da computação fotónica: criou uma partícula híbrida de luz-matéria capaz de realizar computação, conseguindo pela primeira vez a comutação de sinais totalmente óticos necessária para o cálculo. Este avanço estabelece as bases físicas para o futuro hardware de IA ultrarrápido e de baixo consumo energético, e até para chips de computação quântica. O artigo de investigação relacionado foi publicado na última edição da revista Physical Review Letters.
Os fotões dominam as comunicações modernas devido às suas características de alta velocidade e baixa perda, mas a sua fraca capacidade de interação sempre foi um ponto fraco para aplicações de computação. Este estudo supera o obstáculo chave da dificuldade dos fotões tradicionais em realizar operações lógicas, ao acoplar fortemente a luz com eletrões em materiais semicondutores atomicamente finos, formando partículas híbridas chamadas "excitões-polaritões". Estas partículas possuem simultaneamente a característica de propagação a alta velocidade da luz e a forte capacidade de interação da matéria.
A equipa de investigação demonstrou experimentalmente uma operação de comutação totalmente ótica baseada em excitões-polaritões, com um consumo de energia por comutação de apenas cerca de 4 femtojoules (4×10-15 joules), um gasto energético extremamente baixo. Este avanço tem um significado especial para o desenvolvimento de hardware de IA. Atualmente, embora a maioria dos chips fotónicos de IA consiga executar cálculos lineares com luz, ainda precisa de converter os sinais óticos de volta para sinais eletrónicos ao executar passos de decisão cruciais, como funções de ativação não lineares. Este processo de conversão repetida limita seriamente as vantagens de velocidade e eficiência energética da computação fotónica. A nova abordagem promete realizar um processo de computação fotónica completo, desde a entrada até ao processamento ótico, evitando as perdas causadas pela conversão de sinal.
Atualmente, com o crescimento explosivo da procura de poder computacional pela IA, os limites físicos dos dispositivos eletrónicos tornam-se cada vez mais evidentes: os eletrões geram resistência e calor por transportarem carga, e a integração de alta densidade e o processamento de grandes volumes de dados enfrentam desafios de consumo de energia e dissipação de calor. Os fotões, parceiros sem massa e eletricamente neutros dos eletrões, já dominam o campo das comunicações, mas a sua característica de interagir muito fracamente com o ambiente tem dificultado, há muito tempo, a sua aplicação em lógica computacional.
Desta vez, o trabalho da equipa visa precisamente superar este estrangulamento. Eles construíram uma cavidade ótica à nanoescala combinada com materiais semicondutores atomicamente finos, fazendo com que a luz e a matéria interajam fortemente, gerando quasipartículas excitão-polaritão suficientes para executar as operações de comutação de sinal necessárias para a computação.
Se esta tecnologia for escalada com sucesso, permitirá que os chips computacionais processem diretamente sinais óticos provenientes de sensores como câmaras, reduzindo drasticamente o consumo de energia de grandes sistemas de IA e abrindo um caminho possível para a implementação de operações básicas de computação quântica em chip.