Modelo LSTM acelera a conversão de frequência em cristais no laser do LCLS-II do SLAC

Construir uma experiência de raios X de nível mundial começa, de forma contraintuitiva, com um laser a operar na frequência errada.

Antes de se tornar útil, os investigadores fazem o feixe atravessar cristais de elevada precisão duas vezes, elevando a luz do infravermelho para o ultravioleta.

Esse tipo de conversão tem de ser simulado antes de se poder ajustar qualquer parâmetro.

Até agora, essa simulação era um entrave persistente. Uma equipa de físicos substituiu-a por um modelo que corre em milissegundos.

A máquina por trás disto

Jack Hirschman, no SLAC National Accelerator Laboratory (SLAC), liderou uma equipa que incluiu investigadores da University of California, Los Angeles (UCLA).

Em conjunto, atacaram um dos bloqueios computacionais mais teimosos da física moderna de lasers. O alvo foi o Linac Coherent Light Source II (LCLS-II), uma instalação de raios X de nova geração.

A máquina gera impulsos tão curtos e tão intensos que permitem fotografar moléculas individuais a meio de uma reacção. Para isso, é necessária uma sequência de etapas.

A luz laser no ultravioleta incide numa superfície metálica e liberta electrões. Esses electrões são acelerados até à velocidade da luz e, depois, guiados para um conjunto magnético que os faz emitir raios X.

O impulso ultravioleta que dá início a essa cadeia nasce, na verdade, como luz infravermelha. Tem de ser convertido duas vezes antes de cumprir a sua função.

O processo de conversão

Quando duas ondas de luz entram num cristal especialmente concebido, com o ângulo correcto, os seus campos eléctricos interagem.

Dessa interacção surge uma nova onda com a frequência combinada. É este o alicerce da óptica não linear. No LCLS-II, o processo recebe o nome de geração de soma de frequências.

O fenómeno ocorre duas vezes em sequência: o infravermelho passa a verde e, em seguida, o verde passa a ultravioleta. Cada conversão exige um cristal distinto e a sua própria calibração rigorosa.

Um estudo sobre a arquitectura do laser da instalação mostra quão sensível é a qualidade do feixe de electrões à precisão dessas conversões.

Pequenas irregularidades no impulso UV traduzem-se directamente na degradação do feixe.

Olhar para dentro dos cristais

Antes de os engenheiros poderem afinar qualquer parâmetro dessa cadeia, precisam de uma simulação do que acontece no interior dos cristais.

O método convencional resolve uma equação de ondas centenas de vezes ao longo do comprimento do cristal. É um procedimento lento, mas exacto.

No LCLS-II, esse cálculo era demasiado demorado para fornecer feedback em tempo real.

Assim, os engenheiros executavam as simulações offline, analisavam os resultados e ajustavam manualmente, criando um ciclo sem possibilidade de controlo ao vivo.

Uma rede aprende física

A equipa de Hirschman construiu um substituto recorrendo a um tipo de rede neuronal recorrente chamada rede de memória de longo e curto prazo (LSTM).

Como este tipo de rede foi pensado para dados que evoluem em sequência, oferece uma forma fundamentalmente diferente de atacar o problema.

Modelos de aprendizagem profunda deste género aprendem padrões temporais durante o treino. Isso torna-os particularmente adequados para acompanhar, passo a passo, como um impulso de luz se altera à medida que atravessa um cristal.

Ao trabalhar inteiramente no domínio da frequência, a rede evita a alternância repetida entre representações em frequência e em tempo.

Treino com casos difíceis

Milhares de simulações do solucionador convencional serviram de dados de treino, cobrindo uma grande variedade de formas de impulso.

A equipa incluiu, de propósito, casos difíceis, ao estudar impulsos com lacunas espectrais e variações de fase acentuadas - precisamente onde métodos de aproximação mais simples tendem a falhar.

A LSTM não se limitou a prever o impulso principal de saída. Acompanhou com precisão, em simultâneo, os três campos de luz que atravessam o cristal: as duas ondas de entrada e a saída gerada.

Nenhum substituto anterior para esta classe de interacção tinha modelado, de uma só vez, os três campos acoplados em formas de impulso tão exigentes.

Várias vezes mais rápido

Executado numa unidade de processamento gráfico (GPU), o modelo substituto conclui cada simulação em milissegundos.

Isto é mais de 250 vezes mais rápido do que o solucionador convencional. A precisão mantém-se em toda a gama de casos de teste, incluindo os mais difíceis.

Trabalhos anteriores sobre substitutos de IA em física de lasers já tinham indicado que acelerações desta ordem eram possíveis.

Este estudo comprova a abordagem com três campos acoplados num sistema laser real de um acelerador em funcionamento. Foi um teste mais exigente do que qualquer trabalho anterior.

O controlo passa a ser possível

Com um substituto que corre em milissegundos, a simulação pode ligar-se directamente ao sistema de controlo do laser.

Os engenheiros poderiam ajustar parâmetros e ver, em tempo real, os resultados previstos antes de efectuar qualquer alteração física.

O objectivo mais amplo da equipa é criar gémeos digitais: réplicas completas de simulação de sistemas laser complexos, actualizadas continuamente em paralelo com o hardware real.

Pela primeira vez, o passo de conversão em cristais não lineares no núcleo da cadeia laser do LCLS-II pode ser modelado com rapidez suficiente para sustentar decisões operacionais em tempo real.

Isto significa que os operadores poderão ajustar a óptica de conversão de frequência com feedback preditivo imediato, reduzindo o ciclo de tentativa e erro que, actualmente, depende de computação offline.

A abordagem poderá estender-se a outros sistemas de lasers de alta potência, plataformas biomédicas de imagiologia de impulsos curtos e experiências de fotónica quântica.

O método poderá ser aplicado sempre que seja necessário simular rapidamente a física acoplada de cristais não lineares.