Si alguna vez has deseado tener un teléfono, computadora o conexión a Internet más rápida, has experimentado personalmente el encuentro con un límite de la tecnología. Pero puede que haya ayuda en camino.
Durante las últimas décadas, científicos e ingenieros como yo hemos trabajado para desarrollar transistores más rápidos, los componentes electrónicos que subyacen en las tecnologías modernas de comunicaciones electrónicas y digitales. Estos esfuerzos se han basado en una categoría de materiales llamados semiconductores que tienen propiedades eléctricas especiales. El silicio es quizás el mejor ejemplo de este tipo de material.
Pero hace aproximadamente una década, los esfuerzos científicos alcanzaron el límite de velocidad de los transistores basados en semiconductores. Los investigadores simplemente no pueden hacer que los electrones se muevan más rápido a través de estos materiales. Una forma en que los ingenieros intentan abordar los límites de velocidad inherentes en mover una corriente a través del silicio es diseñar circuitos físicos más cortos, esencialmente dando a los electrones menos distancia para recorrer. Aumentar la potencia de cálculo de un chip se reduce a aumentar el número de transistores. Sin embargo, incluso si los investigadores logran hacer los transistores muy pequeños, no serán lo suficientemente rápidos para las velocidades de procesamiento y transferencia de datos más rápidas que las personas y las empresas necesitarán.
El objetivo de la labor de mi grupo de investigación es desarrollar formas más rápidas de mover datos, utilizando pulsos láser ultra rápidos en el espacio libre y la fibra óptica. La luz láser atraviesa la fibra óptica con casi ninguna pérdida y con un nivel de ruido muy bajo.
En nuestro estudio más reciente, publicado en febrero de 2023 en Science Advances, dimos un paso hacia eso, demostrando que es posible usar sistemas basados en láser equipados con transistores ópticos, que dependen de los fotones en lugar del voltaje para mover electrones, y transferir información mucho más rápido que los sistemas actuales, y hacerlo de manera más efectiva que los interruptores ópticos previamente reportados.
Transistores Ópticos Ultra rápidos A su nivel más fundamental, las transmisiones digitales implican una señal que se enciende y apaga para representar unos y ceros. Los transistores electrónicos utilizan voltaje para enviar esta señal: cuando el voltaje induce a los electrones a fluir a través del sistema, señalan un 1; cuando no hay electrones fluyendo, eso señala un 0. Esto requiere una fuente para emitir los electrones y un receptor para detectarlos.
Nuestro sistema de transmisión de datos ópticos ultra rápidos se basa en la luz en lugar del voltaje. Nuestro grupo de investigación es uno de muchos que trabaja con la comunicación óptica a nivel de transistor, los bloques de construcción de los procesadores modernos, para superar las limitaciones actuales con el silicio.
Nuestro sistema controla la luz reflejada para transmitir información. Cuando la luz brilla en un trozo de vidrio, la mayoría pasa a través, aunque una pequeña parte puede reflejar. Eso es lo que experimentas como deslumbramiento al conducir hacia la luz del sol o al mirar a través de una ventana.
Usamos dos haces de láser transmitidos desde dos fuentes que pasan por el mismo trozo de vidrio. Un haz es constante, pero su transmisión a través del vidrio está controlada por el segundo haz. Al usar el segundo haz para cambiar las propiedades del vidrio de transparente a reflectante, podemos iniciar y detener la transmisión del haz constante, cambiando la señal óptica de encendido a apagado y viceversa muy rápidamente.
Con este método, podemos cambiar las propiedades del vidrio mucho más rápido de lo que los sistemas actuales pueden enviar electrones. Por lo tanto, podemos enviar muchas más señales de encendido y apagado, ceros y unos, en menos tiempo.
¿De qué velocidad estamos hablando? Nuestro estudio dio el primer paso para transmitir datos 1 millón de veces más rápido que si hubiéramos usado la electrónica típica. Con los electrones, la velocidad máxima para transmitir datos es un nanosegundo, una milmillonésima de segundo, que es muy rápida. Pero el interruptor óptico que construimos pudo transmitir datos un millón de veces más rápido, lo que tardó solo unos cientos de attosegundos.
También pudimos transmitir esas señales de manera segura, de manera que un atacante que intentara interceptar o modificar los mensajes fallaría o sería detectado.
El uso de un haz de láser para llevar una señal, y ajustar su intensidad de señal con vidrio controlado por otro haz de láser, significa que la información puede viajar no solo más rápido, sino también a distancias mucho mayores.
Por ejemplo, el Telescopio Espacial James Webb transmitió recientemente imágenes impresionantes desde muy lejos en el espacio. Estas imágenes se transfirieron como datos desde el telescopio hasta la estación base en la Tierra a una tasa de un “encendido” o “apagado” cada 35 nanosegundos utilizando comunicaciones ópticas.
Un sistema láser como el que estamos desarrollando podría acelerar la tasa de transferencia mil millones de veces, permitiendo una exploración más rápida y clara del espacio profundo, revelando más rápidamente los secretos del universo. Y quizás algún día las computadoras mismas podrían funcionar con luz.
Este artículo se republica desde The Conversation bajo una licencia Creative Commons. Lee el artículo original.