Este engenheiro da luz cria computadores inspirados no cérebro

Bhavin Shastri ainda se empolga ao ver um apontador laser — fascínio que mantém desde os 10 anos de idade. “Eu ficava maravilhado com o fato de um feixe de luz manter seu brilho, concentrado em um pequeno ponto mesmo após percorrer uma grande distância”, conta Shastri. “Ter um apontador laser na mão parecia empunhar um sabre de luz de Star Wars.”

Hoje físico e engenheiro na Queen’s University, em Kingston, no Canadá, Shastri quer criar computadores baseados em luz — ou computação fotônica. E ele quer que esses computadores imitem o cérebro humano.

Computadores tradicionais dependem de eletricidade, usando fios para transmitir dados por meio de correntes elétricas. Já os computadores fotônicos utilizam luz na forma de feixes de laser. Filtros ao longo do caminho alteram a intensidade da luz para realizar cálculos.

Embora pesquisadores já tenham usado luz para transmitir, armazenar e processar dados em laboratório, a computação fotônica ainda está em estágio inicial. Shastri vem ampliando esses limites. Seus chips fotônicos integram componentes que se comportam como neurônios do cérebro, criando uma rede neural física em um chip. “A física imita a biologia”, diz ele.

Esses chips podem ser mais poderosos para determinadas aplicações e representar um grande avanço para a inteligência artificial.

Modelando computadores como cérebros

O interesse de Shastri pela luz começou cedo. Ele se lembra de um experimento que viu na infância: uma garrafa plástica cheia de água era perfurada perto da base, permitindo que um fluxo constante de água escorresse sob a ação da gravidade. Um laser era direcionado pelo orifício da garrafa e, para surpresa de Shastri, o feixe não seguia em linha reta horizontal. Em vez disso, curvava-se acompanhando o fluxo de água. “Fiquei completamente impressionado com esse experimento”, conta.

Desde então, ele passou a refletir sobre como a luz pode ser manipulada, ao mesmo tempo em que explorava outros interesses científicos. Na universidade, trabalhou com um professor que pesquisava aprendizado de máquina e inteligência artificial, despertando uma nova paixão. Mais tarde, como pesquisador de pós-doutorado na Universidade de Princeton, conheceu o físico óptico Paul Prucnal, que se tornaria seu orientador.

Prucnal contou a Shastri sobre sua pesquisa envolvendo “um laser que se comporta como um neurônio biológico” e sobre a ideia de usar esse tipo de laser para realizar cálculos com luz. A proposta chamou imediatamente a atenção de Shastri.

Segundo Prucnal, Shastri foi “o primeiro a conectar os pontos” ao perceber que a fotônica poderia superar algumas limitações sérias da eletrônica.

Os computadores convencionais estão “atingindo seus limites fundamentais”, afirma Shastri. Ao realizar cálculos, a maioria dos computadores modernos não consegue acessar grande parte de sua memória; e, quando acessam, não conseguem processar simultaneamente. Isso torna os sistemas lentos e ineficientes para tarefas como inteligência artificial, processamento de imagens e outros cálculos intensivos. Treinar e executar algoritmos atuais de IA consome enormes quantidades de energia — estima-se que, até 2026, esse consumo possa equivaler ao uso total de eletricidade do Japão. Computadores com arquiteturas inspiradas no cérebro, chamados neuromórficos, prometem maior velocidade e menor consumo energético.

“Queremos construir máquinas muito mais eficientes energeticamente e muito mais rápidas do que os computadores atuais”, diz Shastri.

No entanto, colocar fios suficientes em um chip para formar uma rede de conexões semelhante ao cérebro não é tarefa simples. Correntes elétricas próximas umas das outras exercem forças magnéticas indesejadas, causando superaquecimento e funcionamento instável. A luz, por outro lado, geralmente não interage com outra luz. Assim, inúmeros feixes de diferentes comprimentos de onda podem percorrer o mesmo caminho simultaneamente sem interferência.

Prucnal destaca que Shastri foi o primeiro a criar com sucesso computadores fotônicos neuromórficos em um chip. “Bhavin inaugurou uma nova maneira de pensar”, afirma.

O estudo da luz

Shastri se define como um “experimentalista forte”. Ele projeta, desenvolve, constrói e realiza experimentos com dispositivos fotônicos do tamanho de um chip. Sua equipe começou estudando dispositivos mais simples, semelhantes a um único neurônio, analisando como poderiam imitar a função de um neurônio biológico. Anos depois, em trabalhos ainda não publicados, os pesquisadores demonstraram preliminarmente que um chip com 100 mil componentes semelhantes a neurônios pode realizar 120 bilhões de operações por segundo — cerca de 40 vezes mais rápido que um computador eletrônico médio, segundo Shastri.

Daniel Brunner, pesquisador em aprendizado de máquina e computação no Instituto FEMTO-ST, na França, que conheceu Shastri quando ambos eram pós-doutorandos, elogia seu trabalho pioneiro. “Nem consigo contar as publicações em que ele lançou as bases” para o uso da fotônica na criação de redes neurais físicas, diz Brunner.

E o talento de Shastri vai além de sua “energia incrível” e “capacidade impressionante”, afirma Prucnal: ele também sabe unir pessoas. “Não se trata apenas de ser simpático, mas de ter uma visão de como integrar diferentes áreas”, acrescenta.

Apesar do entusiasmo, não espere ver um computador fotônico neuromórfico em casa tão cedo. Esses sistemas são mais adequados para aplicações específicas em pesquisa ou indústria. Além da IA, Shastri e seus colegas trabalham em soluções para problemas antigos na otimização de sinais de rádio e no processamento de imagens.

Embora esteja empenhado em transformar a computação, o trabalho de Shastri é movido por uma fascinação de décadas pela luz e suas propriedades. “Tenho muita sorte de poder fazer algo que sempre foi meu sonho de infância”, afirma.

Fonte da imagem: www.sciencenews.org