Neurônio artificial de luz promete cérebro fotônico hipereficiente

Redação do Site Inovação Tecnológica - 24/11/2022

A microcavidade óptica funciona como um neurônio - um neurônio que dispara pulsos de luz, e não pulsos elétricos.
[Imagem: Mateusz Krol]

Neurônio de luz

A computação neuromórfica, ou neurocomputação, acaba de ganhar mais uma alternativa de hardware.

E, desta vez, uma alternativa que promete velocidade total.

Pesquisadores da Universidade de Varsóvia, na Polônia, usaram fótons - as unidades básicas da luz - para criar um neurônio artificial que poderá se tornar o elemento básico de um futuro processador de rede neural fotônico.

E, mesmo antes dessa possibilidade futurística se tornar realidade, o neurônio fotônico poderá se tornar a base para implementar a inteligência artificial tradicional em hardware.

"Nós propomos usar um novo paradigma computacional baseado na codificação de informações com pulsos de luz que acionam um sinal apenas quando ele chega ao neurônio sucessivamente, no momento certo," explicou o professor Andrzej Opala.

Atualmente, as redes neurais usam camadas de neurônios interconectados que disparam pulsos com base na importância atribuída a cada conexão, os chamados "pesos". Na rede neural óptica desenvolvida agora, os neurônios disparam (ou seja, tornam-se ativos) em resposta a uma fileira de pulsos, que podem ter intensidades e intervalos de tempo diferentes.

Assim como acontece com os neurônios biológicos, que são excitados por pulsos elétricos, existe um certo limiar acima do qual a carreira de pulsos de luz que atinge o neurônio óptico dispara um sinal que será passado adiante para os outros neurônios, permitindo criar uma rede neural funcionando totalmente com luz.

Circuitos fotônicos funcionam à velocidade da luz e consomem uma fração de energia em relação aos seus equivalentes eletrônicos.
[Imagem: Krzysztof Tyszka et al. - 10.1002/lpor.202100660]

Rede neural de luz

Como os fótons virtualmente não interagem uns com os outros, a equipe teve que se valer de quasipartículas, entidades que se formam quando partículas fundamentais, como fótons, elétrons, lacunas etc, de alguma forma formam um conjunto que passa a apresentar um comportamento próprio.

Neste caso, a equipe usou éxcitons, que surgem da interação entre fótons e elétrons, e poláritons, que combinam um estado molecular excitado com um fóton. No primeiro caso, há uma transformação de luz em eletricidade, enquanto no segundo luz e matéria passam a ter propriedades similares.

Os poláritons possibilitam a imitação de um sistema biológico porque somente a estimulação com o número adequado de fótons, acima de um certo limiar, leva à formação de um condensado de Bose-Einstein e, em seguida, à emissão de um fóton, na escala de picossegundos, que se torna o sinal para o próximo neurônio.

"Em nossa pesquisa, propomos uma solução na qual os fótons interagem fortemente com partículas de massa muito baixa, chamadas éxcitons," detalhou a pesquisadora Barbara Pietka. "Essa forte interação é possível quando os fótons e éxcitons ficam presos juntos nas chamadas microcavidades ópticas, o que força a troca repetitiva de energia entre eles. Esse tipo de sinergia, gerada na microcavidade entre um fóton e um éxciton, é tão persistente que os físicos a chamam de quasipartícula e se referem a ela como um poláriton."

"Nós fomos os primeiros a perceber que, quando os poláritons são excitados por pulsos de laser, eles emitem pulsos de luz de uma forma que imita o disparo dos neurônios biológicos," concluiu a professora Magdalena Furman.

Mas ainda há desafios a serem vencidos. O disparo baseado em poláritons só funciona quando há a formação de um condensado de Bose-Einstein intermediário; ainda que de curtíssima duração, isso só acontece em temperaturas criogênicas. "Nosso objetivo adicional é transferir o experimento de condições criogênicas para temperatura ambiente," adiantou o professor Jacek Szczytko.

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