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» » » 'Optical oracle' podría resolver rápidamente los problemas informáticos complejos

Referencia: Phys.org .
por Lisa Zyga, 31 de marzo 2014

La red de fibra óptica que abarca todo el globo se compone de millones de kilómetros de fibras que nos dispone Internet, TV por cable y los servicios de telefonía. Ahora los investigadores han demostrado que esta red global ofrece un potencial aún sin explotar de computación, dada su capacidad de actuar como un "oráculo óptico" capaz de resolver el camino hamiltoniano (determinar si existe una ruta entre varios pueblos de tal manera que sea visitado una sola vez cada pueblo), y hacerlo cientos de veces más rápido que los ordenadores convencionales. Aunque usar la red de fibra óptica existente para esos cálculos puede parece poco realista, el estudio muestra que las fibras ópticas podrían ofrecer una nueva y poderosa plataforma de computación en el futuro.

( a) El enfoque de 'optical oracle'  para resolver el problema del camino hamiltoniano en una red con cinco nodos. El impulso óptico se inyecta en la red óptica y viaja a lo largo de todos los caminos posibles. Existe camino hamiltoniano si se observa un pulso de retorno al nodo 1 después de un retardo igual al retardo total de toda la red. ( b ) El diseño real de la optical oracle con componentes de fibra óptica. Crédito: Wu, et al. ©2014 Nature.
Los investigadores, Kan Wu, et al., de la Universidad Tecnológica de Nanyang, en Singapur, la Universidad de Southampton en el Reino Unido, y la IQFR -CSIC en Madrid, España, han publicado un estudio de su principio de prueba demostrando que la red de fibra óptica puede resolver dicho problema. El documento está publicado en una reciente edición de Light: Science & Application.

"El oráculo óptica muestra que el uso de las redes fotónicas como soporte de información abre caminos no convencionales para la computación óptica, donde las ventajas tradicionales de la fotónica, como la velocidad de procesamiento, el ancho de banda y el paralelismo, pueden ser explotados, en combinación con materiales altamente reconfigurables y sistemas de nanoescala, para soluciones eficientes y altamente integradas capaces de solucionar  tareas computacionales difíciles", según decía el coautor Cesare Soci, profesor asistente en la Universidad Tecnológica de Nanyang.

Como explican los investigadores, el problema del camino hamiltoniano es parte de una clase de conocidos problemas de complejidad denominados como problemas NP-completo. Aunque los algoritmos convencionales por ordenador pueden resolver los problemas NP-completo como éste, cuando se consideran números pequeños, el tiempo que se necesita para resolverlos aumenta exponencialmente con el tamaño del problema.

A pesar de los muchos años de investigación, aún no existe una forma eficaz de resolver problemas NP-completo, y muchos investigadores sospechan que ni tan siquiera existe un algoritmo eficiente para ello. Los investigadores también han estado investigando enfoques alternativos para estos algoritmos convencionales, como el de las pompas de jabón, el de plegamiento de proteínas, la computación cuántica y la computación de ADN. Hasta el momento, ninguno de estos enfoques ha dado con una solución más fácil para estos problemas.

En el nuevo estudio, las investigaciones experimentales muestran que la red de fibra óptica puede ser utilizada para resolver el problema del camino hamiltoniano con cinco ciudades (o nodos). Aunque el problema es bastante fácil de resolver con sólo cinco nodos, se predice que el problema con 30 nodos podría resolverse aproximadamente unas 375 veces más rápido utilizando la optical oracle que con un ordenador convencional .

La optical oracle se basa en contar cuánto tiempo tarda un pulso de luz en viajar a través de la red. Tal como explican los investigadores, una trayectoria de luz experimenta un retraso único cuando visita cada nodo. Los retrasos se asignan a los nodos de modo que su suma sólo puede obtenerse mediante la suma de los retardos exactos en cada nodo. Cuando se ejecuta el experimento, si un pulso de luz se detecta que viaja a través de la red después de esta suma de tiempos de retardo, significa que el camino de hamiltoniano existe de facto en la red, de lo contrario, no existe un camino hamiltoniano.

Al igual que otros enfoques de la física, como las pompas de jabón y la computación de ADN, la capacidad de optical oracle para resolver grandes problemas NP-completo está limitada por el requerimiento de que una escala de recursos físicos. Para la optical oracle, la solución del problema del camino hamiltoniano de una red de 30 nodos requeriría una longitud de fibra mínima de 100 km. y una máxima de 200 km. Estas longitudes están dentro del alcance de la tecnología de la fibra actual, aunque pueden requerir una amplificación de la señal óptica.

Los investigadores también observaron que la optical oracle no puede resolver el problema del camino hamiltoniano tan rápidamente como los algoritmos probabilísticos de Monte Carlo. Sin embargo, las soluciones obtenidas por estos algoritmos implican un cierto grado de incertidumbre, mientras que la optical oracle excluye completamente las falsas predicciones .

Con la capacidad de resolver problemas NP-completo mucho más rápido que los ordenadores convencionales, las redes de telecomunicaciones ópticas pueden tener un impacto significativo en aplicaciones tales como las comunicaciones seguras, la optimización de enrutamiento y el procesamiento de datos ópticos. En términos más realistas, la estrategia podría ser implementada en una plataforma fotónica de silicio con láseres de femtosegundos, capaz de permitir una arquitectura más compacta. Los investigadores también están investigando cómo se pueden utilizar las redes ópticas para imitar las complejidades del cerebro humano.

"En el Centro de Tecnologías Fotónicas Disruptivas, estamos explorando varias posibilidades que utilicen las redes ópticas para realizar procesamiento de datos no booleanos e imitar funcionalidades cerebrales imitan y  protocolos de señales, nosotros llamamos a esta área 'fotónica cognitiva'", dijo Soci. "Actualmente estamos estudiando las redes de fibra no lineales y planeando extender este trabajo a las redes fotónicas integradas, lo cual, eventualmente, permitirá abordar problemas de mucho mayor tamaño y complejidad.


- Publicación: Kan Wu, et al. "An optical fiber network oracle for NP-complete problems." Light: Science & Application. DOI: 10.1038/lsa.2014.28 .
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