El auge de la fotónica integrada: ¿cómo está cambiando la luz el rostro de la informática?

La computación óptica es una tecnología revolucionaria que tiene el potencial de cambiar la forma en que pensamos acerca de la computación. A diferencia de las computadoras tradicionales, que usan señales eléctricas para realizar cálculos, la computación óptica usa luz. Esto permite una frecuencia mucho mayor de procesamiento de datos, lo que hace posible ejecutar cálculos grandes y complejos a velocidades increíblemente rápidas.

Una de las tecnologías clave detrás de la computación óptica es la computación fotónica, que utiliza fotones para realizar cálculos en lugar de electrones. Esto permite un enfoque de computación más eficiente y sintético, ya que los fotones se pueden manipular y controlar fácilmente para realizar una amplia gama de tareas.

Otra tecnología clave en el campo de la computación óptica es la fotónica integrada. Esto se refiere a la integración de componentes fotónicos en un solo dispositivo compacto, lo que permite un enfoque de computación más eficiente y escalable.

En general, el uso de estas tecnologías tiene el potencial de revolucionar la forma en que pensamos sobre la computación y el procesamiento de datos. Con la computación óptica, podemos resolver problemas que actualmente están más allá de las capacidades incluso de las computadoras más avanzadas y hacerlo a velocidades inimaginables con las tecnologías actuales.

Los investigadores han descubierto una forma de ejecutar puertas lógicas basadas en luz, que son un millón de veces más rápidas que las puertas lógicas electrónicas convencionales que se encuentran en los procesadores de computadora tradicionales. Estas puertas lógicas, que se componen de funciones booleanas y ejecutan rutinas binarias, generalmente se ejecutan electrónicamente. Sin embargo, el nuevo método utiliza la luz para realizar las mismas funciones, lo que conduce a velocidades de procesamiento significativamente más rápidas.

Esto se encontró en un estudio realizado en la Universidad AALTO y publicado en la revista Science Advances.

¿Qué es la computación óptica?

Una computadora óptica, también conocida como computadora fotónica, es un dispositivo que realiza cálculos digitales utilizando fotones en rayos de luz visible o infrarrojos (IR) en lugar de corriente eléctrica. La velocidad de una corriente eléctrica es sólo el 10% de la velocidad de la luz. Una de las razones que llevaron al desarrollo de la fibra óptica fue la restricción de la velocidad a la que se pueden transmitir los datos a largas distancias. Algún día se podría crear una computadora que pueda realizar procesos diez o más veces más rápido que una computadora electrónica tradicional implementando algunos de los beneficios de las redes visibles y/o IR en el tamaño del dispositivo y del componente.

A diferencia de las corrientes eléctricas, los rayos visibles e infrarrojos fluyen entre sí sin interactuar. Incluso cuando están restringidos esencialmente a dos dimensiones, muchos (o muchos) rayos láser pueden brillar de modo que sus caminos se crucen, pero no hay interferencia entre los rayos. El cableado en tres dimensiones es importante porque las corrientes eléctricas deben dirigirse una alrededor de la otra. Como resultado, una computadora óptica también puede ser más pequeña además de ser significativamente más rápida que una electrónica.

Aunque algunos ingenieros predicen que la computación óptica se generalizará en el futuro, la mayoría de los expertos coinciden en que los cambios se producirán gradualmente en nichos específicos. Hay algunos circuitos integrados ópticos que se han desarrollado y producido. (Los circuitos ópticos se han utilizado en la construcción de al menos una computadora con todas las funciones, aunque algo grande). Al dividir la imagen en vóxeles, se puede transmitir un video tridimensional de movimiento completo a través de una red de fibras. Aunque los impulsos de datos utilizados para controlar algunos dispositivos ópticos son luz visible u ondas infrarrojas, las corrientes electrónicas pueden operarlos.

Las comunicaciones digitales, donde la transferencia de datos por fibra óptica ya es frecuente, es donde la tecnología óptica ha avanzado más. El objetivo final es la llamada red fotónica, donde cada fuente y destino están conectados solo por fotones visibles e infrarrojos. Las impresoras láser, las fotocopiadoras, los escáneres y las unidades de CD-ROM y sus parientes utilizan tecnología óptica. Todos estos dispositivos, sin embargo, se basan en cierta medida en circuitos y piezas electrónicas ordinarias; ninguno de ellos es completamente óptico.

¿Cómo funciona la computación óptica?

La computación óptica es similar a la computación tradicional en que utiliza puertas lógicas y rutinas binarias para realizar cálculos. Sin embargo, difiere en la forma en que se realizan estos cálculos. En la informática óptica, los fotones son generados por LED, láseres y otros dispositivos y se utilizan para codificar datos de forma similar a los electrones en la informática tradicional. Esto permite un cálculo mucho más rápido y eficiente, ya que los fotones se pueden manipular y controlar fácilmente para realizar una amplia gama de tareas.

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Con el objetivo final de desarrollar una computadora óptica, existen estudios centrados en el diseño e implementación de transistores ópticos. Un haz de luz puede ser bloqueado de manera eficiente por una pantalla polarizadora que gira 90 grados. Los componentes dieléctricos que tienen la capacidad de operar como polarizadores también se utilizan para crear transistores ópticos. A pesar de algunas dificultades técnicas, las puertas lógicas ópticas son fundamentalmente posibles. Consistirían en un solo control y numerosos haces que proporcionarían los resultados lógicos correctos.

Una de las principales ventajas de las computadoras electrónicas tradicionales es que se pueden usar canales de silicio y cables de cobre para guiar y controlar el movimiento de los electrones. Esto permite un cálculo eficiente y fiable.

En computación óptica, se puede lograr un efecto similar utilizando nanopartículas plasmónicas. Estas partículas pueden guiar y controlar el movimiento de los fotones, lo que les permite girar en las esquinas y continuar su camino sin una pérdida significativa de energía o conversión a electrones. Esto hace posible crear dispositivos informáticos ópticos compactos y eficientes.

La mayoría de las partes de un chip óptico son similares a un chip de computadora tradicional, y los electrones se utilizan para procesar y transformar la información. Sin embargo, las interconexiones, que se utilizan para transportar información entre diferentes áreas del chip, se han modificado significativamente.

En la computación óptica, se usa luz en lugar de electrones para transportar información. Esto se debe a que la luz se puede contener fácilmente y tiene la ventaja de que se pierde menos información durante el viaje. Esto es especialmente útil en situaciones en las que las interconexiones pueden calentarse, lo que puede ralentizar el movimiento de los electrones. Mediante el uso de la luz para el transporte de información, es posible crear dispositivos informáticos ópticos más rápidos y eficientes.

Los investigadores esperan que el uso de la luz para el transporte de información en la computación óptica resulte en el desarrollo de computadoras a exaescala. Las computadoras a exaescala son capaces de realizar miles de millones de cálculos cada segundo, lo que es 1000 veces más rápido que los sistemas más rápidos actuales. Mediante el uso de la luz para la comunicación, es posible alcanzar este nivel de velocidad de procesamiento, lo que da como resultado dispositivos informáticos más potentes y eficientes.

Las ventajas y desventajas de la computación óptica.

Las ventajas de la computación óptica son:

• Densidad rápida, tamaño pequeño, calentamiento de unión mínimo, alta velocidad, escalado dinámico y reconfigurabilidad en redes/topologías más pequeñas/grandes, gran capacidad de computación paralela y aplicaciones de IA son solo algunos de los principales beneficios de las computadoras ópticas.
• Las interconexiones ópticas tienen varios beneficios además de la velocidad. No son propensos a los cortocircuitos eléctricos y son inmunes a las interferencias electromagnéticas.
• Proporcionan transmisión de baja pérdida y mucho ancho de banda, lo que permite que múltiples canales se comuniquen simultáneamente.
• El procesamiento de datos en componentes ópticos es menos costoso y más simple que el procesamiento de datos en componentes electrónicos.
• Los fotones no interactúan entre sí tan rápido como lo hacen los electrones, ya que no están cargados. Esto proporciona un beneficio adicional porque el funcionamiento dúplex completo permite que los haces de luz se crucen entre sí.
• En comparación con los materiales magnéticos, los materiales ópticos son más accesibles y tienen una mayor densidad de almacenamiento.

Las desventajas de la computación óptica son:

• Es difícil desarrollar cristales fotónicos.
• Debido a la interacción de varias señales, el cálculo es un proceso complejo.
• Los prototipos actuales de computadoras ópticas son bastante voluminosos. 

Computación óptica vs computación cuántica

La computación óptica y la computación cuántica son dos tecnologías diferentes que tienen el potencial de revolucionar la forma en que pensamos sobre la computación y el procesamiento de datos.

La computación óptica usa la luz para realizar cálculos y tareas de procesamiento de datos, mientras que la computación cuántica usa los principios de la mecánica cuántica para realizar los cálculos.

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Una de las diferencias clave entre las dos tecnologías es la velocidad a la que pueden realizar los cálculos. La computación óptica puede operar a velocidades mucho más altas que la computación electrónica tradicional y, en algunos casos, también es más rápida que la computación cuántica. Esto se debe al hecho de que los fotones, las partículas de luz utilizadas en la computación óptica, pueden manipularse y controlarse fácilmente para realizar una amplia gama de tareas.

Por otro lado, la computación cuántica tiene el potencial de resolver ciertos problemas que actualmente están más allá de las capacidades incluso de las computadoras más avanzadas. Esto se debe a las propiedades únicas de la mecánica cuántica, que permiten la creación de estados altamente complejos y entrelazados que pueden usarse para realizar cálculos.

En general, tanto la computación óptica como la computación cuántica tienen el potencial de revolucionar el campo de la computación y el procesamiento de datos. Si bien tienen diferentes fortalezas y limitaciones, ambas tecnologías ofrecen nuevas y emocionantes posibilidades para resolver problemas complejos y mejorar nuestra comprensión del mundo.

Empresas de computación óptica

Si está interesado en obtener más información, hemos elaborado la lista más completa de las mejores empresas de computación cuántica que existen.

Tecnologías cuánticas de Xanadu

negocio de tecnología canadiense Tecnologías cuánticas de Xanadu es un importante proveedor de hardware de computación cuántica fotónica.

El objetivo de Xanadu, una empresa establecida en 2016 por el director ejecutivo Christian Weedbrook, es crear computadoras cuánticas que sean accesibles y beneficiosas para todos. La empresa ha adoptado una estrategia completa para lograr este objetivo y desarrolla hardware, software y participa en investigaciones de vanguardia con socios elegidos.

Con la ayuda de la biblioteca de aplicaciones Strawberry Fields y el servicio Xanadu Quantum Cloud (XQC), las empresas y los académicos ahora pueden comenzar a usar las computadoras cuánticas fotónicas de Xanadu.

A través de la creación de PennyLane, un proyecto de código abierto que ha crecido hasta convertirse en una biblioteca de software de primer nivel entre los investigadores y desarrolladores cuánticos, la empresa también está desarrollando el campo del aprendizaje automático cuántico (QML).

psicuántica

El objetivo de la psicuántica, un grupo de físicos cuánticos, ingenieros de semiconductores, sistemas y software, arquitectos de sistemas y otros es crear la primera computadora cuántica útil utilizando el enfoque fotónico porque creen que ofrece beneficios técnicos a la escala necesaria para la corrección de errores. Generaron la atención de los medios al concentrarse en una computadora cuántica de 1 millón de qubits.

PsiQuantum fue establecida en 2015 por Jeremy O'Brien, Terry Rudolph, Pete Shadbolt y Mark Thompson y tiene su sede en Silicon Valley, el epicentro de la innovación tecnológica.

Computación ORCA

Basado en la investigación del Grupo de Óptica Cuántica Ultrarrápida y No Lineal del Profesor Ian Walmsley en la Universidad de Oxford, ORCA fue fundada en Londres por científicos y empresarios calificados. Ian Walmsley, Josh Nunn y Kris Kaczmarek en el grupo se dieron cuenta de que las memorias cuánticas "a corto plazo" podrían sincronizar las actividades fotónicas y hacer que la computación cuántica sea realmente escalable.

Al aprovechar la memoria cuántica ORCA para abordar este problema de redundancia, ORCA desbloquea el potencial de la fotónica cuántica sin las graves compensaciones de los métodos de la competencia.

ORCA fue establecida en 2019 por Ian Walmsley, Richard Murray, Josh Nunn y Cristina Escoda y tiene su sede en Londres.

Quandela

Una nueva empresa llamada Quandela se dedica a la creación de dispositivos funcionales para la investigación en fotónica, ordenadores cuánticos e información cuántica.

Crea fuentes de luz cuánticas de estado sólido distintivas. A partir de estas fuentes se desarrolla una nueva generación de ordenadores cuánticos basados ​​en la manipulación de la luz.

En 2017, Valerian Giesz, Pascale Senellart y Niccolo Somaschi crearon esta firma de fotónica en París.

Tundra Systems Global

Brian Antao fundó Tundra Systems Global en Cardiff, Gales, para construir desde cero los numerosos desarrollos de diversas fuentes académicas, como la Universidad de Bristol, el MIT, los centros de tecnología cuántica del Reino Unido, etc., en soluciones computacionales en un régimen totalmente óptico utilizando la base fundamental de la mecánica cuántica.

El objetivo final de la organización es crear y distribuir soluciones innovadoras de tecnología cuántica. Crear una biblioteca para Tundra Quantum Photonics Technology es el paso inicial en el proceso de desarrollo. Este es un elemento de la estrategia de Tundra System, ya que trabaja para crear el TundraProcessor, un microprocesador de fotónica cuántica completamente funcional. Se puede construir un sistema HPC integral que rodee al TundraProcessor con la ayuda de esta biblioteca, lo que también debería facilitar la evolución del ecosistema de circuitos integrados fotónicos.

Conclusión

En conclusión, vemos avances interesantes en el uso de láseres y luz en la informática. A medida que la tecnología óptica continúa avanzando, podemos esperar que se utilice en una amplia gama de aplicaciones, desde procesamiento paralelo y redes de área de almacenamiento hasta redes ópticas de datos y dispositivos de almacenamiento biométrico.

Los procesadores de las computadoras actuales ahora contienen detectores de luz y pequeños láseres que facilitan la transmisión de datos a través de fibras ópticas. Algunas empresas incluso están desarrollando procesadores ópticos que utilizan interruptores ópticos y luz láser para realizar cálculos. Intel, uno de los principales defensores de esta tecnología, está creando un enlace fotónico de silicio integrado que puede transmitir 50 gigabytes por segundo de información ininterrumpida.

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Las computadoras del futuro podrían venir sin pantallas, y la información se presentará a través de hologramas en el aire sobre el teclado. Esta tecnología está siendo posible gracias a la colaboración de investigadores y expertos industriales. Además, se prevé que el uso práctico de la tecnología óptica en forma de redes ópticas crezca cada año que pasa.

Con su potencial para la computación eficiente y de alta velocidad, la tecnología óptica está lista para revolucionar la forma en que pensamos sobre la computación y el procesamiento de datos.

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• Fuente: https://dataconomy.com/2022/12/optical-computing-photonic/