quinta-feira, 28 de janeiro de 2021

Antenas de luz podem acabar com limites na transmissão de dados

Redação do Site Inovação Tecnológica - 19/03/2021

Limites na transmissão de dados podem desaparecer com antenas ópticas
As informações são transportadas em canais representados por voltas que a luz dá sobre seu próprio eixo.
[Imagem: Boubacar Kanté]


Multiplexação da luz

Em vários aspectos, o emergente campo da computação com luz está reproduzindo os passos que a computação eletrônica deu décadas atrás.

A multiplexação deu impulso ao então nascente campo das telecomunicações ao permitir que várias mensagens trafegassem ao mesmo tempo no mesmo canal de transmissão, seja um fio de telégrafo, uma linha telefônica ou uma fibra óptica.

Agora, pesquisadores da Universidade da Califórnia em Berkeley descobriram uma nova maneira de aproveitar as propriedades das ondas de luz que pode aumentar radicalmente a quantidade de dados que essas ondas transportam.

O novo trabalho deixa em aberto a quantidade de informação que pode ser multiplexada, ou transmitida simultaneamente, por uma fonte de luz coerente.

Eles fizeram sua demonstração usando luz torcida, feixes de laser que giram sobre o próprio eixo, emitida por minúsculas antenas feitas de anéis concêntricos, com o diâmetro aproximado ao de um fio de cabelo humano, pequenas o suficiente para serem colocados dentro de chips de computador.

"É a primeira vez que os lasers que produzem luz torcida são multiplexados diretamente. A tecnologia que estamos relatando supera os limites atuais de capacidade de dados por meio de uma característica da luz chamada momento angular orbital. É uma virada de jogo, com aplicações em imagens biológicas, criptografia quântica, comunicações de alta capacidade e sensores," disse o professor Boubacar Kanté. "Estamos experimentando uma explosão de dados em nosso mundo, e os canais de comunicação que temos agora serão insuficientes para o que precisamos."

Infinitos canais na luz

O avanço é importante porque os métodos atuais de transmissão de sinais por meio de ondas eletromagnéticas estão atingindo seu limite.

A frequência, por exemplo, ficou saturada, e é por isso que há tanta interferência entre estações no rádio. A polarização, em que as ondas de luz são separadas em dois valores - horizontal ou vertical - pode dobrar a quantidade de informações transmitidas. Os cineastas tiram vantagem disso ao criar filmes 3D, permitindo que os espectadores com óculos especiais recebam dois conjuntos de sinais - um para cada olho - para criar um efeito estereoscópico e a ilusão de profundidade.

Mas, além da frequência e da polarização, a luz possui um momento angular orbital, ou MAO, uma propriedade da luz que atraiu a atenção dos cientistas porque oferece uma capacidade exponencialmente maior de transmissão de dados. Uma maneira de pensar sobre o momento angular da luz é compará-lo ao vórtice de um tornado, daí o nome "luz torcida".

"O vórtice na luz, com seus infinitos graus de liberdade, pode, em princípio, suportar uma quantidade ilimitada de dados," disse Kanté. "O desafio tem sido encontrar uma maneira de produzir confiavelmente o número infinito de feixes MAO. Ninguém jamais produziu feixes MAO de cargas tão altas em um dispositivo tão compacto antes."

Limites na transmissão de dados podem desaparecer com antenas ópticas
As antenas de luz são topológicas, ou seja, tudo o que importa é a sua superfície, o que permite sua inserção no interior dos chips.
[Imagem: Babak Bahari et al. - 10.1038/s41567-021-01165-8]

Antenas topológicas e números quânticos

Para obter seu avanço, a equipe usou antenas topológicas, o que significa que suas propriedades essenciais estão em sua superfície, sendo mantidas mesmo quando o dispositivo é torcido ou dobrado.

Usando litografia de feixe de elétrons, a equipe gravou um padrão de grade em fosfeto de arseneto de gálio e índio, um material semicondutor, e então colou a estrutura sobre uma superfície feita de granada de ítrio e ferro.

Os pesquisadores projetaram a grade para formar poços quânticos em um padrão de três círculos concêntricos - o maior com cerca de 50 micrômetros de diâmetro - para capturar os fótons. Isso criou condições para a emergência de um fenômeno conhecido como efeito Hall quântico fotônico, que descreve o movimento dos fótons quando um campo magnético é aplicado, forçando a luz a viajar em apenas uma direção nos anéis.

"As pessoas pensaram que o efeito Hall quântico com um campo magnético poderia ser usado em eletrônica, mas não em óptica, devido ao fraco magnetismo dos materiais existentes nas frequências ópticas," disse Kanté. "Somos os primeiros a mostrar que o efeito Hall quântico funciona para a luz."

Na demonstração, a equipe gerou feixes de laser com até 276 voltas ao longo de seu eixo em cada comprimento de onda - ou 276 número quânticos, como os físicos dizem.

"Ter um número quântico maior é como ter mais letras para usar no alfabeto," comparou Kanté. "Estamos permitindo que a luz expanda seu vocabulário. Em nosso estudo, demonstramos essa capacidade em comprimentos de onda de telecomunicações, mas, em princípio, ela pode ser adaptada a outras bandas de frequência. Embora tenhamos criado três lasers, multiplicando a taxa de dados por três, não há limite para o número possível de feixes e capacidade de dados."

Bibliografia:

Artigo: Photonic quantum Hall effect and multiplexed light sources of large orbital angular momenta
Autores: Babak Bahari, Liyi Hsu, Si Hui Pan, Daryl Preece, Abdoulaye Ndao, Abdelkrim El Amili, Yeshaiahu Fainman, Boubacar Kanté
Revista: Nature Physics
DOI: 10.1038/s41567-021-01165-8
Fonte: Inovação Tecnológica

segunda-feira, 18 de janeiro de 2021

Humanidade não conseguirá controlar computadores superinteligentes

 Com informações do MPIB - 12/01/2021

Humanidade não conseguirá controlar computadores superinteligentes
Há tempos se discute os perigos que a Inteligência Artificial trará à humanidade.
[Imagem: Manuel Alfonseca et al. - 10.1613/jair.1.12202]


Inteligência que supera os criadores

Suponha que alguém programe um sistema de inteligência artificial (IA) com uma inteligência superior à dos humanos, para que ele possa aprender de forma independente.

Conectada à internet, a IA poderia ter acesso a todos os dados da humanidade e então tentaria otimizar tudo; ela poderia substituir todos os programas existentes e assumir o controle de todas as máquinas online em todo o mundo, para que tudo funcionasse da forma mais eficiente possível.

Isso produziria uma utopia ou uma distopia? A IA encontraria a cura para o câncer, promoveria a paz mundial e evitaria um desastre climático? Ou ela iria concluir que a forma mais eficiente de resolver todos os problemas seria destruir a humanidade?

Nosso mundo é fascinado por máquinas e computadores que podem controlar carros, compor sinfonias ou derrotar pessoas no xadrez, Go e outros desafios, mas os cientistas da computação e os filósofos têm-se perguntado se sequer seríamos capazes de controlar uma IA superinteligente, para garantir que ela não representaria uma ameaça à humanidade.

"Uma máquina [computador] superinteligente que controla o mundo parece ficção científica. Mas já existem máquinas que realizam certas tarefas importantes de forma independente, sem que os programadores entendam totalmente como elas aprenderam a fazer o que fazem. Portanto, surge a questão de saber se isso poderia em algum momento se tornar incontrolável e perigoso para humanidade," justifica o professor Manuel Cebrian, do Instituto Max Planck para o Desenvolvimento Humano, na Alemanha.

E as conclusões dos estudiosos nem sempre são animadoras: A equipe internacional liderada por Cebrian fez os melhores cálculos teóricos que o saber científico atual permite para demonstrar que seria fundamentalmente impossível para a humanidade controlar uma IA superinteligente.

Superinteligência artificial

Os cientistas exploraram duas ideias diferentes de como uma superinteligência artificial poderia ser controlada.

Por um lado, as capacidades da IA superinteligente poderiam ser especificamente limitadas, por exemplo, isolando-a da internet e de todos os outros dispositivos técnicos, para que ela não pudesse ter contato com o mundo exterior. Mas isso tornaria a "IA superinteligente" significativamente menos poderosa, menos capaz de responder às missões e às questões para as quais a humanidade a projetou.

Sem essa opção, a IA poderia ser motivada desde o início a perseguir somente objetivos que atendam aos melhores interesses da humanidade, por exemplo, programando princípios éticos nela. No entanto, os pesquisadores também demonstraram que essas e outras ideias contemporâneas e históricas para controlar a IA superinteligente têm seus limites.

Humanidade não conseguirá controlar computadores superinteligentes
Máquinas que controlam máquinas estão entre os riscos existenciais para a humanidade.
[Imagem: Iyad Rahwan]

Problema incomputável

A equipe então concebeu um algoritmo teórico de contenção, que garante que uma IA superinteligente não possa prejudicar as pessoas em nenhuma circunstância, simulando o comportamento da IA primeiro e então interrompendo-a se ela for considerada prejudicial.

Mas uma análise cuidadosa mostra que, em nosso paradigma atual de computação, esse algoritmo não pode ser construído.

"Se você dividir o problema em regras básicas da ciência da computação teórica, verá que um algoritmo que comandaria uma IA para não destruir o mundo poderia inadvertidamente interromper suas próprias operações. Se isso acontecesse, você não saberia se o algoritmo de contenção ainda está analisando a ameaça, ou se ele parou para conter a IA prejudicial. Na verdade, isso torna o algoritmo de contenção inutilizável," disse Iyad Rahwan, membro da equipe.

Com base nesses cálculos, o problema de contenção é incomputável, ou seja, nenhum algoritmo único pode encontrar uma solução para determinar se uma IA produziria danos ao mundo.

Além disso, os pesquisadores demonstraram que podemos nem saber quando as máquinas superinteligentes foram criadas, porque decidir se uma máquina apresenta inteligência superior aos humanos está no mesmo reino do problema de contenção: insolúvel.

Bibliografia:

Artigo: Superintelligence Cannot be Contained: Lessons from Computability Theory
Autores: Manuel Alfonseca, Manuel Cebrian, Antonio Fernandez Anta, Lorenzo Coviello, Andrés Abeliuk, Iyad Rahwan
Revista: JAIR - Journal of Artificial Intelligence Research
DOI: 10.1613/jair.1.12202
SITE INOVAÇÃO TECNOLÓGICA. Humanidade não conseguirá controlar computadores superinteligentes. 12/01/2021. Online. Disponível em www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=humanidade-nao-conseguira-controlar-computadores-superinteligentes. Capturado em 18/01/2021.