Disco rígido quântico chega aos quatro bits

Redação do Site Inovação Tecnológica - 18/11/2010

O entrelaçamento quântico é um recurso por excelência do mundo quântico e envolve correlações entre os componentes do sistema físico que não podem ser descritos pela física clássica. [Imagem: Akihisa Goban]

Em um experimento que está sendo comparado a um "disco rígido" para um computador quântico, cientistas demonstraram o funcionamento conjunto de quatro memórias quânticas fisicamente isoladas.

Entrelaçamento quádruplo

Os cientistas do Instituto de Tecnologia da Califórnia, nos Estados Unidos, criaram um entrelaçamento de um estado quântico armazenado em quatro memórias atômicas espacialmente distintas.

O experimento é um passo adiante em relação a uma pesquisa histórica, feita por cientistas brasileiros, que demonstraram o entrelaçamento quântico triplo pela primeira vez em 2009.

Posteriormente, os brasileiros demonstraram razões para a chamada "morte súbita", a perda do entrelaçamento entre as partículas, com a consequente perda dos dados das memórias quânticas.

No experimento agora realizado pela equipe norte-americana, as memórias quânticas são lidas por quatro feixes de luz, o que permite o entrelaçamento entre todas elas - o entrelaçamento permite que duas ou mais partículas compartilhem suas propriedades mesmo sem qualquer ligação física entre elas.

"Disco rígido" quântico

A agregação de memórias adicionais fez com que os pesquisadores se entusiasmassem - com razão - e sugerissem que o complexo aparato óptico pode ser comparado aos primórdios de um disco rígido dos computadores quânticos, funcionando como o depósito dos dados.

A pesquisa representa uma importante conquista na ciência da informação quântica, estendendo o controle do entrelaçamento para quatro sistemas separados espacialmente, permitindo a troca de informações entre a matéria e a luz - os feixes de laser leem os dados no aglomerado de átomos e os fótons coordenados podem ser distribuídos por redes quânticas para a transmissão dos dados ou para processamento.

Na pior da hipóteses, se não viabilizar um computador quântico, um sistema assim poderá permitir a realização do sonho de Richard Feynman, que propôs há mais de 30 anos que o aparato serviria como um simulador quântico, que permitirá o estudo dos fenômenos do mundo quântico.

Possibilidades

O entrelaçamento quântico é um recurso por excelência do mundo quântico e envolve correlações entre os componentes do sistema físico que não podem ser descritos pela física clássica.

Embora pareça estranho, não existe nenhuma realidade objetiva para as propriedades físicas de um sistema quântico entrelaçado. Em vez disso, um sistema entrelaçado contém simultaneamente múltiplas possibilidades de suas propriedades.

Estranho ou não, o entrelaçamento quântico é considerado pelos cientistas como a base para futuras tecnologias, como computação quântica, criptografia quântica e teletransporte quântico.

Em 2009, a mesma equipe usou uma esfera que levita por luz para demonstrar fenômenos quânticos.

Bibliografia:
Entanglement of spin waves among four quantum memories
K. S. Choi, A. Goban, S. B. Papp, S. J. van Enk, H. J. Kimble
Nature
17 November 2010
Vol.: 468, 412-416
DOI: 10.1038/nature09568

Fonte: Inovação Tecnológica

Ricardo M. Beskow

Kandou - seu computador ainda vai ter um

Redação do Site Inovação Tecnológica - 22/11/2010

Ao longo dos últimos 10 anos, os barramentos dos computadores vêm sendo modificados, adotando novas técnicas de transmissão dos sinais. [Imagem: EPFL]

A melhor estimativa feita até agora cravou em 150 bilhões de kWh o consumo de eletricidade de todos os computadores do mundo.

Qualquer fração de redução em tamanha magnitude pode ter um impacto econômico e ambiental de grandes proporções.

E quem vem em nosso socorro nessa empreitada é ninguém menos do que a super heroína... Matemática.

Rodovias da informação

Embora todos os equipamentos eletrônicos sejam equipados com processadores muito rápidos, eles continuam tendo que trocar dados com a sua "periferia" - memória, monitores, impressoras, teclados e uma infinidade de outros periféricos.

Essa comunicação - seja com os periféricos, seja com outros processadores - usa as chamadas "rodovias da informação" que, em vez de asfalto, são feitas mais comumente de cobre.

O problema é que esses pequenos fios costumam ficar muito próximos uns dos outros, e acabam criando uma interferência mútua, sujando os sinais e impedindo que os processadores funcionem em sua capacidade total.

É sempre possível amplificar os sinais.

O problema é que as interferências aumentam proporcionalmente. É mais ou menos como se duas pessoas decidirem falar mais alto em um restaurante, achando que vão ouvir melhor uma à outra - logo, seus vizinhos elevarão o volume e todos gastarão muito mais energia para chegar ao mesmo resultado de antes.

Limites dos barramentos

Agora, Harm Cronie e Amin Shokrollahi, da Escola Politécnica Federal de Lausanne, na Suíça, encontraram uma forma de enfrentar esse problema, abrindo caminho para a construção de computadores que gastam menos energia.

De forma um tanto inusitada, os dois pesquisadores foram buscar auxílio da matemática para criar sua solução, batizada de Kandou.

Ao longo dos últimos 10 anos, os barramentos dos computadores vêm sendo modificados, adotando novas técnicas de transmissão dos sinais.

Atualmente, a informação é transmitida por pares de fios. Em um deles, a mensagem é transmitida em "positivo" e, no outro, em "negativo".

Cada par de fios sofre mais ou menos a mesma interferência do ambiente. Subtraindo a informação "positiva" da informação "negativa", esses distúrbios são anulados, enquanto a intensidade do sinal é duplicada.

Esta solução é eficaz, mas exige o dobro de fios, o que nem sempre é viável. Assim, a quantidade de energia por fio tem que ser aumentada para se obter a velocidade desejada. O resultado - embora melhor do que simplesmente amplificar os sinais - ainda não é perfeito.

O barramento Kandou usa um algoritmo especial para codificar os sinais, que são todos transferidos simultaneamente. [Imagem: ]

Barramento Kandou

Já o barramento Kandou usa um algoritmo especial para codificar os sinais, que são todos transferidos simultaneamente. No destino, um decodificador recupera os sinais originais.

No exemplo do restaurante, é como se, em vez de começarem a falar mais alto, um casal passasse a usar a linguagem de sinais, enquanto seus vizinhos continuassem falando em português.

O Kandou utiliza um sistema semelhante, evitando que os fios vizinhos interfiram entre si, gerando um nível de ruído significativamente menor.

As vantagens são muitas, incluindo o uso de poucos fios, o que reduz o tamanho dos chips, o aumento na velocidade de transmissão, e o menor consumo de eletricidade.

A tecnologia já foi apresentada às grandes empresas do setor de tecnologia da informação, e tem grandes chances de ser incorporada aos computadores, celulares e outros aparelhos eletrônicos nos próximos anos.

 

Fonte: Inovação Tecnológica

Ricardo M. Beskow

Vêm aí os computadores caóticos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 23/11/2010

Portas lógicas booleanas

Com todas as maravilhas que seu computador lhe permite, no fundo, no fundo, ele é feito de minúsculas chaves, chamadas transistores, arranjadas na forma de pequenos circuitos, chamados portas lógicas.

Uma porta lógica é um circuito que recebe duas entradas e fornece um resultado de saída.

As portas caóticas permitem construir dispositivos de computação com a capacidade de se reconfigurar em uma série de portas lógicas diferentes. [Imagem: Ditto et al./Chaos]

Para que seu computador funcione da maneira que você espera, essas portas lógicas devem dar resultados muito precisos. Uma porta AND, por exemplo, só deve dar resultado 1 se houver pelo menos uma entrada 1. E uma porta OR deverá dar sempre resultado 1, a menos que haja duas entradas 0.

Se parece confuso, saiba que, juntando meia dúzia de "maquininhas" capazes de tomar decisões desse tipo, você nem precisa de transistores, e pode construir um computador de qualquer coisa - de varetas e cordas ou de copos e canos com água, por exemplo.

Mas suas "maquininhas", ou suas portas lógicas, deverão sempre dar respostas simples, precisas e unidirecionais - ou 0 ou 1, dependendo dos dois valores que entram. Depois é só montar tudo em uma estrutura hierárquica bem definida e você terá um computador.

Portas caóticas

Mas agora um grupo de cientistas de várias universidades norte-americanas está propondo uma mudança radical nesse enfoque.

Em vez do determinismo e da precisão das portas lógicas tradicionais, eles acreditam que é possível construir computadores melhores usando "portas caóticas", ou portas que tomam suas decisões com base nos fenômenos descritos pela teoria do caos.

De forma bem simplificada, eles usaram padrões caóticos para codificar e manipular as entradas de forma a produzir a saída desejada.

Eles selecionaram os padrões desejados a partir da infinita variedade oferecida por um sistema caótico. Um subconjunto desses padrões foi então utilizado para mapear as entradas do sistema (as condições iniciais) nos resultados desejados.

O mais interessante é que esse processo permite construir dispositivos de computação com a capacidade de se reconfigurar em uma série de portas lógicas diferentes.

Eles batizaram essas portas capazes de se metamorfosear de Chaogates. E, como sempre acontece nas universidades norte-americanas, e deveria também acontecer nas brasileiras, eles fundaram uma empresa, a ChaoLogix, para tentar vender sua ideia.

Imagine um computador capaz de mudar seu próprio comportamento interno para criar um bilhão de chips customizados a cada segundo, baseado no que o usuário está fazendo naquele segundo. [Imagem: Ditto et al./Chaos]

Computador metamórfico

"Imagine um computador capaz de mudar seu próprio comportamento interno para criar um bilhão de chips customizados a cada segundo, baseado no que o usuário está fazendo naquele segundo - um computador que possa reconfigurar a si mesmo para se tornar o computador mais rápido no momento para a sua aplicação," vislumbra William Ditto, da Universidade do Arizona, um dos autores da nova técnica.

Segundo Ditto, a ChaoLogix já está montando os primeiros protótipos de computador caótico e já é possível verificar que a abordagem poderá ser útil para equipamentos eletrônicos comuns, para computadores voltados para jogos e para sistemas de informática mais seguros.

Segundo o pesquisador, os processadores caóticos não apenas poderão ser fabricados com a mesma tecnologia dos atuais, como eles poderão ser incluídos em circuitos mistos, que mesclem processadores lógicos convencionais e processadores caóticos.

"As portas caóticas são os blocos básicos de novos sistemas computacionais baseados no caos, que vão explorar as gigantescas capacidades de formação de padrões dos sistemas caóticos em benefício da computação," diz ele.

Mapa logístico

Ao contrário do que se possa imaginar, sistemas caóticos não são nem aleatórios e nem imprevisíveis: eles apresentam padrões irregulares extremamente sensíveis às condições iniciais.

Um sistema caótico gera uma saída em resposta a uma dada entrada, de forma muito parecida com um circuito booleano tradicional - mas a saída é muito sensível aos valores de entrada e às condições iniciais da rede.

Ditto e seus colegas descobriram que a adição de mecanismos de controle bastante simples permite definir o padrão de saída de forma muito segura - isto significa que uma mesma porta caótica pode executar várias funções lógicas.

A chave para a geração de múltiplas saídas a partir do mesmo conjunto de entradas é baseada em um conceito chamado "mapa logístico", que descreve uma função matemática não-linear que mapeia as entradas para uma saída específica.

Os cientistas desenvolveram uma função de mapeamento logístico que utiliza as propriedades não-lineares de um transístor CMOS comum de tal forma que é possível criar uma célula caótica muito eficiente.

Computadores híbridos

Circuitos de interfaces simples permitem que a célula caótica seja interconectada com outros circuitos caóticos ou com portas lógicas booleanas tradicionais, abrindo o caminho para a tecnologia e para a viabilização de computadores híbridos.

Uma das vantagens das portas caóticas é que elas possuem uma "assinatura de potência" que é independente do estado lógico de entrada.

Esta é uma característica importante para aplicações seguras, permitindo o uso de técnicas de análise diferencial para determinar as chaves de criptografia - por exemplo, pelo monitoramento da corrente elétrica consumida pelo circuito.

Bibliografia:
Chaogates: Morphing logic gates that exploit dynamical patterns
William L. Ditto, A. Miliotis, K. Murali, Sudeshna Sinha, Mark L. Spano
Chaos
November 2010
Vol.: 20, 037107 (2010)
DOI: 10.1063/1.3489889

Fonte: Inovação Tecnológica

Ricardo M. Beskow

Fiação elétrica funciona como antena para casa inteligente

Redação do Site Inovação Tecnológica - 01/10/2010

Fios enrolados ao redor dos sensores servem como antenas de transmissão. A fiação elétrica da residência funciona como antena de recepção, levando os dados até a central de processamento.[Imagem: Gabe Cohn/University of Washington]

A tecnologia logo tornará realidade um antigo ditado popular: as paredes realmente terão ouvidos.

E poderão contar alguns segredos interessantes para os donos da casa: uma janela aberta deixando escapar o ar condicionado, um vazamento de água ainda imperceptível, a mudança brusca de temperatura lá fora, e muitos mais.

Sensações caseiras

Tudo o que uma casa precisa para se tornar uma casa inteligente são "sensações". E essas sensações são produzidas por sensores que fazem medições continuamente.

Em seguida, essas medições precisam ser enviadas a uma central que as processe e gere informações úteis para os moradores ou, principalmente, em gatilhos para o acionamento automático de comodidades, como ligar e desligar o ar-condicionado ou o aquecedor, abrir e fechar cortinas e janelas, acionar o aquecedor elétrico quando o tempo fica nublado, e assim por diante.

Agora, um grupo de pesquisadores norte-americanos criou um novo tipo de sensor que usa a fiação elétrica de uma casa como uma gigantesca antena, capaz de captar as informações dos diversos sensores espalhados pela residência e pelo seu entorno.

A central de monitoramento é também conectada à rede elétrica, de onde retira os sinais dos sensores e faz o seu processamento.

Sensores sem fios

Sensores que monitoram temperatura, umidade, nível de iluminação, qualidade do ar, etc, são equipamentos simples e baratos e que consomem pouquíssima energia para coletar os dados. Mas a energia necessária para transmitir esses dados é muito grande.

"Quando você olha para o sensoriamento doméstico e para a automação residencial em geral, é possível ver que a tecnologia ainda não decolou", afirma o Dr. Shwetak Patel, da Universidade de Washington. "A tecnologia existente ainda consome energia demais e não é tão fácil de implementar como gostaríamos que fosse."

Isto ocorre em grande parte porque os equipamentos sem fios de hoje têm um alcance de apenas alguns metros, e consomem tanta energia que exigem constantes trocas das suas baterias.

A saída encontrada pela equipe do Dr. Patel foi usar a fiação elétrica como uma gigantesca antena, capaz de receber sinais dos sensores sem fios em uma frequência definida.

Enquanto os sistemas sem fios de automação doméstica atuais têm problemas para enviar sinais através das paredes, diminuindo muito sua praticidade, este sistema na verdade opera melhor em torno das paredes, porque é em seu interior que está a antena.

Uma bateria para 50 anos

Cada sensor é dotado de sua própria antena de transmissão, que pode ser tão simples quanto um fio de cobre enrolado ao seu redor.

Como a antena de recepção está efetivamente espalhada por toda a casa, os sensores podem transmitir com potência muito baixa, economizando suas baterias - o sistema opera com menos de 1 por cento da potência de transmissão de dados em comparação com o próximo modelo mais eficiente disponível.

Ainda assim, os sensores têm um alcance que permite sua instalação a até 15 metros da fiação mais próxima.

Consumindo por volta de 1 miliwatt de energia, cada sensor pode funcionar com uma bateria do tipo botão por cerca de 50 anos - provavelmente a bateria terá que ser trocada antes disso, mas porque irá se deteriorar e não por falta de energia.

Tendo atingido níveis tão baixos de energia, os pesquisadores agora querem eliminar de vez as baterias, fazendo os sensores funcionarem com energia solar - a claridade interna da residência é suficiente - ou por geradores piezoelétricos que aproveitem as vibrações do ambiente para gerar energia.

Fonte: Inovação Tecnológica

Ricardo M. Beskow

Dutos de ar-condicionado viram canais de comunicação wireless

Redação do Site Inovação Tecnológica - 27/08/2010

As etiquetas RFID podem ser equipadas com sensores, compondo um conjunto que coleta as informações - como a temperatura, a umidade, a presença de fumaça etc. - e as transmite para um leitor.[Imagem: 3M]

Tecnologias de monitoramento sem fio - com usos que vão desde aplicações voltadas para a saúde e a segurança até os mais óbvios controles de temperatura e umidade do ambiente - podem ser implementadas de forma simples e eficiente usando os dutos de ar-condicionado e ventilação dos edifícios.

A descoberta deverá proporcionar economia de recursos e de tempo para os construtores e para os gestores dos edifícios, já que a tecnologia pode ser implementada em edifícios novos ou já construídos, sem a necessidade de instalação de redes físicas para os sensores.

Sensores RFID

A base da técnica agora desenvolvida são as etiquetas RFID, minúsculos transmissores/receptores de rádio que operam sem baterias, alimentados pela energia transmitida pela antena dos leitores.

As etiquetas RFID podem ser equipadas com sensores, compondo um conjunto que coleta as informações - como a temperatura, a umidade, a presença de fumaça etc. - e as transmite para um leitor.

Os sistemas RFID utilizam leitores centralizados para coletar os dados de um grande número de etiquetas que estejam ao seu alcance. O leitor eletrônico transmite uma onda de rádio com uma frequência específica. Quando uma etiqueta RFID programada para aquela frequência detecta a transmissão, ela absorve energia dessa transmissão, ativa seus circuitos, transmite os dados que coletou e desliga-se novamente, aguardando o próximo chamado do leitor.

Quando instaladas em espaços abertos, as etiquetas RFID de alta frequência (UHF) normalmente precisam estar a uma distância de 5 a 10 metros do leitor, a fim de receberem energia suficiente para responder a uma transmissão.

No entanto, os pesquisadores da Universidade do Estado da Carolina do Norte, nos Estados Unidos, descobriram que se as etiquetas forem instaladas dentro dos dutos de ar-condicionado, elas cobrem facilmente a área típica de um andar de um edifício comercial - um leitor instalado centralmente pode receber dados de etiquetas localizadas a mais de 30 metros em qualquer direção.

Dutos para ondas de rádio

Os dutos de ar-condicionado e ventilação são excelentes canais para as transmissões de rádio porque consistem tipicamente de tubos metálicos ocos. Esses funcionam como guias para as ondas de rádio, evitando sua dispersão e ajudando a manter um sinal forte a uma distância maior.

Além do monitoramento do ambiente dos edifícios, a tecnologia pode ter aplicações importantes para a saúde e para o monitoramento de segurança. "Ela pode funcionar com qualquer coisa para a qual você crie um sensor eletrônico," diz o Dr. Dan Stancil, coautor do trabalho.

A pesquisa está avaliando o funcionamento dos sensores RFID em detectores de fumaça, monitores de monóxido de carbono e sensores que podem detectar substâncias químicas, biológicas e radiológicas.

Retrofitting

"Como você pode instalar [a tecnologia] em infraestruturas já existentes, acho que ela é economicamente viável imediatamente," diz Stancil. "Evitar o trabalho envolvido com a instalação dos sensores tradicionais e com a fiação que eles exigem vai mais do que compensar o custo das etiquetas RFID e dos leitores."

A possibilidade de retrofitting - atualização tecnológica - dos edifícios já construídos deverá transformar a técnica em uma ferramenta importante no arsenal disponível para a criação de edifícios inteligentes - incluindo principalmente a atualização dos edifícios que nasceram burros.

Bibliografia:
Long Range Passive UHF RFID System Using HVAC Ducts
Pavel V. Nikitin, Darmindra D. Arumugam, Matthew J. Chabalko, Benjamin E. Henty, Daniel D. Stancil
Proceedings of the IEEE
September 2010

Fonte: Inovação Tecnológica

 

Ricardo M. Beskow