El futuro digital puede depender de interruptores ópticos un millón de veces más rápidos que los transistores actuales

Si alguna vez ha deseado tener un teléfono, una computadora o una conexión a Internet más rápida, se ha topado con la experiencia personal de alcanzar el límite de la tecnología. Pero podría haber ayuda en camino.

Durante las últimas décadas, científicos e ingenieros como yo hemos trabajado para desarrollar transistores más rápidos, los componentes electrónicos que subyacen a las modernas tecnologías 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 ejemplo más conocido 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 están tratando de abordar los límites de velocidad inherentes al movimiento de una corriente a través del silicio es diseñar circuitos físicos más cortos, esencialmente dando a los electrones menos distancia que recorrer. Aumentar la potencia informática de un chip se reduce a aumentar la cantidad de transistores. Sin embargo, incluso si los investigadores logran hacer que los transistores sean muy pequeños, no serán lo suficientemente rápidos para las velocidades de procesamiento y transferencia de datos más rápidas que necesitarán las personas y las empresas.

El trabajo de mi grupo de investigación tiene como objetivo desarrollar formas más rápidas de mover datos, utilizando pulsos láser ultrarrápidos en el espacio libre y fibra óptica. La luz láser viaja a través de fibra óptica casi sin pérdidas 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 utilizar sistemas basados ​​en láser equipados con transistores ópticos, que dependen de fotones en lugar de voltaje para mover electrones y transferir información mucho más rápidamente que los sistemas actuales y lo hacen de manera más efectiva que los interruptores ópticos reportados anteriormente.

En 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, envían una señal 1; cuando no fluyen electrones, eso indica un 0. Esto requiere una fuente para emitir los electrones y un receptor para detectarlos.

Nuestro sistema de transmisión óptica de datos ultrarrápidos se basa en la luz y no en el voltaje. Nuestro grupo de investigación es uno de los muchos que trabajan con la comunicación óptica a nivel de transistores (los componentes básicos de los procesadores modernos) para sortear las limitaciones actuales del silicio.

Nuestro sistema controla la luz reflejada para transmitir información. Cuando la luz incide sobre un trozo de vidrio, la mayor parte lo atraviesa, aunque un poco puede reflejarse. Eso es lo que se percibe como deslumbramiento cuando se conduce hacia la luz del sol o se mira por una ventana.

Utilizamos dos rayos láser transmitidos desde dos fuentes que atraviesan la misma pieza de vidrio. Un haz es constante, pero su transmisión a través del vidrio está controlada por el segundo haz. Al utilizar 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 rápidamente de lo que los sistemas actuales pueden enviar electrones. De modo que podemos enviar muchas más señales de encendido y apagado (ceros y unos) en menos tiempo.

Nuestro estudio dio el primer paso para transmitir datos 1 millón de veces más rápido que si hubiéramos utilizado la electrónica típica. Con los electrones, la velocidad máxima para transmitir datos es un nanosegundo, una milmillonésima de segundo, lo cual es muy rápido. Pero el interruptor óptico que construimos fue capaz de transmitir datos un millón de veces más rápido, lo que tomó sólo unos cientos de attosegundos.

También pudimos transmitir esas señales de forma segura para que un atacante que intentara interceptar o modificar los mensajes fallara o fuera detectado.

Usar un rayo láser para transportar una señal y ajustar su intensidad con un vidrio controlado por otro rayo láser significa que la información puede viajar no solo más rápidamente 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 a la estación base en la Tierra a un ritmo de un "encendido" o "apagado" cada 35 nanosegundos mediante comunicaciones ópticas.

Un sistema láser como el que estamos desarrollando podría acelerar la velocidad de transferencia mil millones de veces, permitiendo una exploración más rápida y clara del espacio profundo, revelando más rápidamente los secretos del universo. Y algún día las propias computadoras podrían funcionar con luz.

Este artículo se vuelve a publicar desde The Conversation bajo una licencia Creative Commons. Lea el artículo original.

Crédito de la imagen: interruptor óptico ultrarrápido del laboratorio del autor en acción. Mohammed Hassan, Universidad de Arizona, CC BY-ND