Computao acstica resolve problemas computacionalmente impraticveis

Informtica

Redação do Site Inovação Tecnológica – 08/04/2025

Computao acstica

Pesquisadores desenvolveram uma nova mquina de Ising que utiliza ondas acsticas de superfcie como portadoras do fluxo de informaes.

Essa forma alternativa de computao permite obter solues rpidas e energeticamente eficientes para problemas complexos de otimizao, oferecendo uma alternativa promissora aos mtodos de computao convencionais baseados na arquitetura von-Neumann, na qual se baseiam todos os nossos computadores eletrnicos.

Nossos computadores tm dificuldade em lidar com problemas de otimizao combinatria, embora eles sejam essenciais em inmeras situaes, como tarefas de agendamento de operaes logsticas e hotis, otimizao de carteiras de aplicaes financeiras ou de canais de comunicao em redes sem fio, ou mesmo na previso de como as protenas se dobram entre inmeras possibilidades estruturais.

Nesses casos, cada n adicionado, seja uma reserva de um quarto ou uma ligao molecular, faz com que o nmero de configuraes possveis aumente exponencialmente. Em contraste com o crescimento linear ou polinomial, um aumento exponencial no nmero de solues possveis faz com que at mesmo os computadores e algoritmos mais poderosos no tenham o poder computacional e a memria para avaliar cada cenrio em busca de subconjuntos extremamente pequenos que representem solues satisfatoriamente timas.

Agora, Artem Litvinenko e colegas da Universidade de Gotemburgo, na Sucia, desenvolveram uma nova mquina de Ising que funciona com base em ondas acsticas de superfcie, vibraes elsticas que viajam ao longo da superfcie de materiais, como ondulaes em um lago.

A mquina resolve algumas tarefas de otimizao combinatria usando uma frao da potncia e do tamanho dos supercomputadores. Esta arquitetura baseada em acstica retm a conectividade de todos para todos, mas melhora drasticamente a estabilidade (10⁴ a 10⁵ vezes).

Isso suficiente para torn-la uma plataforma comercialmente vivel para aceleradores de problemas combinatrios, uma soluo imediata enquanto esperamos o advento dos computadores qunticos.

Demonstrao experimental da mquina de Ising acstica de 50 spins resolvendo dois problemas MAX-CUT diferentes.
[Imagem: Artem Litvinenko et al. – 10.1038/s42005-025-01969-7]

Mquinas de Ising

As mquinas de Ising so hardwares inspirados na fsica, lidando com os problemas combinatrios mapeando-os em um modelo clssico de magnetismo – um modelo de Ising. Uma mquina de Ising reimagina os problemas combinatrios transformando-os em uma “paisagem energtica” de pequenos osciladores, cada um capaz de assumir um estado “para cima” ou “para baixo”.

Na fsica, os sistemas naturalmente decaem para o arranjo de menor energia, como uma matriz de pequenos ms tentando se alinhar. Se as conexes entre esses osciladores representam o problema a ser resolvido, ento encontrar o estado geral de menor energia realizado simplesmente deixando o sistema relaxar em seu estado estvel.

O estado final dos osciladores representa uma soluo global – no mnimo muito prxima da soluo tima. Ou seja, as mquinas de Ising implementam um atalho de hardware que emprega a tendncia da prpria natureza em direo energia mnima.

J existem verses conhecidas como mquinas 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 estabilizao adicionais, e mesmo assim funcionam de forma estvel apenas em escalas de tempo de microssegundos a milissegundos.

“Ns nos inspiramos nas mquinas de Ising coerentes e substitumos a luz por pulsos acsticos de radiofrequncia, reduzindo significativamente as instabilidades de fase induzidas termicamente, permitindo que o SAWIM opere por horas sem qualquer sistema de estabilizao de frequncia e compensao trmica,” contou Litvinenko – SAWIM a sigla em ingls para mquina de Ising de ondas acsticas de superfcie.

Computao com ondas acsticas

Dentro da mquina, pulsos de micro-ondas criam pacotes de ondas acsticas de superfcie que viajam ao longo da superfcie de um cristal, armazenando as informaes sobre a fase e a amplitude dos spins de Ising equivalentes – cada pacote de onda pode se estabelecer em dois estados de fase estveis.

O sistema interconecta esses pacotes virtualmente usando um bloco de multiplicao de matriz digital implementado com chips FPGA, para que eles interajam de uma forma que corresponda matriz de interconexo em um problema de otimizao arbitrrio. Uma vez que a mquina ligada, os pacotes de ondas acsticas se auto-organizam na configurao com a menor energia, resolvendo assim o problema combinatrio em um enorme espao de soluo.

No estado atual, o prottipo suporta at 50 spins, que podem ser interconectados todos-para-todos, o que suficiente para resolver tarefas combinatrias de mdio porte. Como ele foi construdo com componentes eletrnicos padro disponveis no mercado e no tem mesas pticas volumosas, o prximo passo ser aumentar o nmero de spins para milhares ou at dezenas de milhares, mantendo a estabilidade de temperatura inerente abordagem acstica e o tamanho compacto.

“Estamos no incio da explorao da computao estvel e comercialmente vivel baseada em ondas,” disse o professor Litvinenko. “A alta estabilidade trmica das ondas acsticas superficiais nos permite desenvolver ainda mais a complexidade computacional, explorando as oportunidades de mudar de spins binarizados para spins multinveis, que tm um tremendo potencial para computao combinatria e so difceis com mquinas pticas de Ising.”

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