O professor de engenharia da VCU ajuda a iluminar o caminho para uma computação mais poderosa

Jul 30, 2023

30 de agosto de 2023

Um professor de engenharia da Virginia Commonwealth University está lançando nova luz sobre um conceito de décadas, que poderia estimular avanços da defesa nacional para carros sem motorista e telecomunicações.

Nathaniel Kinsey, Ph.D., professor da Fundação de Engenharia no Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da VCU, está liderando um grupo de pesquisadores que está explorando fronteiras em computação óptica e aprendizado de máquina. Com foco em nanofotônica, ele estuda a interação da luz com materiais nas menores escalas.

Embora o conceito de computação óptica não seja novo, o interesse e o financiamento diminuíram nas décadas de 1980 e 1990, à medida que o processamento de chips de silício provou ser mais rentável. Mas as recentes desacelerações na expansão das tecnologias baseadas em silício abriram a porta para a revisão dos métodos de processamento de dados.

“A computação óptica pode ser a próxima grande novidade na tecnologia de computação”, disse Kinsey. “Mas existem muitos outros concorrentes, como a computação quântica, para a próxima nova presença no ecossistema computacional. Aconteça o que acontecer, acho que a fotônica e a óptica serão cada vez mais predominantes nessas novas formas de computação.”

Primeiro, uma ligação rápida entre homem e máquina: um neurônio é uma célula cerebral que ajuda os humanos a pensar e, na mesma linha, uma rede neural artificial ajuda as máquinas a aprender – por exemplo, é o que ajuda o Siri a entender e responder às nossas solicitações. Um dos componentes poderosos de uma rede neural é o perceptron, e Kinsey pretende usar luz (sinais ópticos) em vez do processamento digital tradicional (sinais elétricos) para criar o componente. Seu trabalho sobre “perceptrons ópticos não lineares” atraiu financiamento do Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea, e o Departamento de Defesa vê a computação óptica como um avanço promissor na imagem militar.

“Digamos que você queira encontrar um tanque dentro de uma imagem”, disse Kinsey. “Usar uma câmera para capturar a cena, traduzir essa imagem em um sinal elétrico e executá-la através de um processador de computador tradicional baseado em circuito de silício exige muito poder de processamento – especialmente quando você tenta detectar, transferir e processar pixels mais altos resoluções. Com o perceptron óptico não linear, estamos tentando descobrir se podemos realizar os mesmos tipos de operações puramente no domínio óptico, sem ter que traduzir nada em sinais elétricos.

“A eliminação ou minimização da eletrônica tem sido uma espécie de Santo Graal da engenharia há vários anos”, acrescentou Kinsey. “Para situações em que a informação existe naturalmente na forma de luz, por que não ter um sistema de entrada e saída óptica sem componentes eletrônicos no meio?”

Os sistemas ópticos lineares, como os circuitos integrados fotônicos comuns nas comunicações de fibra óptica, usam energia limitada, mas não são capazes de processar imagens complexas. A construção de sistemas ópticos não lineares expandiria a funcionalidade, tornando-os ideais para plataformas de detecção remota em drones e satélites – por exemplo, para identificar tanques ou movimentos de tropas como parte de um sistema de alerta precoce. A pesquisa de Kinsey procura determinar o impacto dos requisitos adicionais de energia na computação óptica não linear.

Existem também potenciais aplicações não militares, mesmo que as aplicações para o consumidor possam demorar anos. Nos carros sem condutor, a computação óptica poderia melhorar o LiDAR – o equipamento de detecção e alcance de luz que rastreia obstáculos e ajuda a manter distâncias seguras. Para os microbiologistas, a microscopia de campo escuro poderia ser melhorada para o exame de amostras clínicas. Nas telecomunicações, as redes neurais ópticas poderiam ler etiquetas de endereço e enviar pacotes de dados sem eletrônica.

Como parte da pesquisa, Kinsey e colaboradores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia – incluem Dhruv Fomra, um dos ex-Ph.D. alunos da VCU – estão trabalhando para projetar um novo tipo de material opticamente sensível. Seu objetivo é projetar e produzir um dispositivo que combine um material único, chamado épsilon-near-zero, e uma superfície nanoestruturada para oferecer melhor controle sobre a transmissão e reflexão da luz – e com requisitos de energia limitados, já que a luz é curvada e moldada ao longo superfície para realizar o processamento de dados.