Computação acústica resolve problemas eletronicamente incomputáveis

Inform?tica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 08/04/2025

Computa??o ac?stica

Pesquisadores desenvolveram uma nova m?quina de Ising que utiliza ondas ac?sticas de superf?cie como portadoras do fluxo de informa??es.

Essa forma alternativa de computa??o permite obter solu??es r?pidas e energeticamente eficientes para problemas complexos de otimiza??o, oferecendo uma alternativa promissora aos m?todos de computa??o convencionais baseados na arquitetura von-Neumann, na qual se baseiam todos os nossos computadores eletr?nicos.

Nossos computadores t?m dificuldade em lidar com problemas de otimiza??o combinat?ria, embora eles sejam essenciais em in?meras situa??es, como tarefas de agendamento de opera??es log?sticas e hot?is, otimiza??o de carteiras de aplica??es financeiras ou de canais de comunica??o em redes sem fio, ou mesmo na previs?o de como as prote?nas se dobram entre in?meras possibilidades estruturais.

Nesses casos, cada n? adicionado, seja uma reserva de um quarto ou uma liga??o molecular, faz com que o n?mero de configura??es poss?veis aumente exponencialmente. Em contraste com o crescimento linear ou polinomial, um aumento exponencial no n?mero de solu??es poss?veis faz com que at? mesmo os computadores e algoritmos mais poderosos n?o tenham o poder computacional e a mem?ria para avaliar cada cen?rio em busca de subconjuntos extremamente pequenos que representem solu??es satisfatoriamente ?timas.

Agora, Artem Litvinenko e colegas da Universidade de Gotemburgo, na Su?cia, desenvolveram uma nova m?quina de Ising que funciona com base em ondas ac?sticas de superf?cie, vibra??es el?sticas que viajam ao longo da superf?cie de materiais, como ondula??es em um lago.

A m?quina resolve algumas tarefas de otimiza??o combinat?ria usando uma fra??o da pot?ncia e do tamanho dos supercomputadores. Esta arquitetura baseada em ac?stica ret?m a conectividade de todos para todos, mas melhora drasticamente a estabilidade (10⁴ a 10⁵ vezes).

Isso ? suficiente para torn?-la uma plataforma comercialmente vi?vel para aceleradores de problemas combinat?rios, uma solu??o imediata enquanto esperamos o advento dos computadores qu?nticos.

M?quinas de Ising

As m?quinas de Ising s?o hardwares inspirados na f?sica, lidando com os problemas combinat?rios mapeando-os em um modelo cl?ssico de magnetismo - um modelo de Ising. Uma m?quina de Ising reimagina os problemas combinat?rios transformando-os em uma "paisagem energ?tica" de pequenos osciladores, cada um capaz de assumir um estado "para cima" ou "para baixo".

Na f?sica, os sistemas naturalmente decaem para o arranjo de menor energia, como uma matriz de pequenos ?m?s tentando se alinhar. Se as conex?es entre esses osciladores representam o problema a ser resolvido, ent?o encontrar o estado geral de menor energia ? realizado simplesmente deixando o sistema relaxar em seu estado est?vel.

O estado final dos osciladores representa uma solu??o global - no m?nimo muito pr?xima da solu??o ?tima. Ou seja, as m?quinas de Ising implementam um atalho de hardware que emprega a tend?ncia da pr?pria natureza em dire??o ? energia m?nima.

J? existem vers?es conhecidas como m?quinas de Ising coerentes, que usam pulsos de luz em um loop ?ptico. Embora funcionem bem at? centenas de milhares de spins, elas normalmente exigem um controle preciso de temperatura ou sistemas de estabiliza??o adicionais, e mesmo assim funcionam de forma est?vel apenas em escalas de tempo de microssegundos a milissegundos.

"N?s nos inspiramos nas m?quinas de Ising coerentes e substitu?mos a luz por pulsos ac?sticos de radiofrequ?ncia, reduzindo significativamente as instabilidades de fase induzidas termicamente, permitindo que o SAWIM opere por horas sem qualquer sistema de estabiliza??o de frequ?ncia e compensa??o t?rmica," contou Litvinenko - SAWIM ? a sigla em ingl?s para m?quina de Ising de ondas ac?sticas de superf?cie.

Computa??o com ondas ac?sticas

Dentro da m?quina, pulsos de micro-ondas criam pacotes de ondas ac?sticas de superf?cie que viajam ao longo da superf?cie de um cristal, armazenando as informa??es sobre a fase e a amplitude dos spins de Ising equivalentes - cada pacote de onda pode se estabelecer em dois estados de fase est?veis.

O sistema interconecta esses pacotes virtualmente usando um bloco de multiplica??o de matriz digital implementado com chips FPGA, para que eles interajam de uma forma que corresponda ? matriz de interconex?o em um problema de otimiza??o arbitr?rio. Uma vez que a m?quina ? ligada, os pacotes de ondas ac?sticas se auto-organizam na configura??o com a menor energia, resolvendo assim o problema combinat?rio em um enorme espa?o de solu??o.

No estado atual, o prot?tipo suporta at? 50 spins, que podem ser interconectados todos-para-todos, o que ? suficiente para resolver tarefas combinat?rias de m?dio porte. Como ele foi constru?do com componentes eletr?nicos padr?o dispon?veis no mercado e n?o tem mesas ?pticas volumosas, o pr?ximo passo ser? aumentar o n?mero de spins para milhares ou at? dezenas de milhares, mantendo a estabilidade de temperatura inerente ? abordagem ac?stica e o tamanho compacto.

"Estamos no in?cio da explora??o da computa??o est?vel e comercialmente vi?vel baseada em ondas," disse o professor Litvinenko. "A alta estabilidade t?rmica das ondas ac?sticas superficiais nos permite desenvolver ainda mais a complexidade computacional, explorando as oportunidades de mudar de spins binarizados para spins multin?veis, que t?m um tremendo potencial para computa??o combinat?ria e s?o dif?ceis com m?quinas ?pticas de Ising."

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