Si alguna vez has deseado tener un teléfono, computadora o conexión a Internet más rápida, has experimentado la experiencia personal de alcanzar un límite tecnológico. Pero podría haber ayuda en camino.

Durante las últimas décadas, científicos e ingenieros como yo han trabajado para desarrollar transistores más rápidos, los componentes electrónicos subyacentes de las tecnologías modernas de comunicación electrónica y digital. 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 mover una corriente a través del silicio es diseñar circuitos físicos más cortos, esencialmente dando a los electrones menos distancia para viajar. Aumentar la potencia de cálculo de un chip se reduce a aumentar el número de transistores. Sin embargo, incluso si los investigadores logran que los transistores sean 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 trabajo de mi grupo de investigación tiene como objetivo desarrollar formas más rápidas de mover datos, utilizando pulsos láser ultra rápidos en espacio libre y fibra óptica. La luz láser viaja a través de la fibra óptica con casi ninguna pérdida y con un nivel muy bajo de ruido.

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 hacerlo de manera más efectiva que los interruptores ópticos informados anteriormente.

Transistores ópticos ultra rápidos
En su nivel más fundamental, las transmisiones digitales involucran 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 trabajan con comunicación óptica a nivel de transistor, los bloques de construcción de los procesadores modernos, para evitar las limitaciones actuales con el silicio.

Nuestro sistema controla la luz reflejada para transmitir información. Cuando la luz brilla sobre un trozo de vidrio, la mayoría pasa a través de él, aunque una pequeña parte podría reflejarse. Eso es lo que experimentas como deslumbramiento al conducir hacia la luz solar o mirar a través de una ventana.

Usamos dos haces láser transmitidos desde dos fuentes que pasan por el mismo trozo de vidrio. Un haz es constante, pero su transmisión a través del vidrio es 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, es decir, unos y ceros, 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 utilizado la electrónica típica. Con 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 llevó solo unos cientos de attosegundos.

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

El uso de un haz láser para llevar una señal y ajustar su intensidad de señal con vidrio controlado por otro haz láser significa que la información puede viajar no solo más rápido sino también a distancias mucho mayores.

Por ejemplo, el Telescopio Espacial James Webb recientemente transmitió impresionantes imágenes desde el espacio profundo. Estas imágenes se transfirieron como datos desde el telescopio a la estación base en la Tierra a una velocidad 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, lo que permitiría una exploración más rápida y clara del espacio profundo, revelando más rápidamente los secretos del universo. Y algún día, las computadoras mismas podrían funcionar con luz.

Traducido de: https://theconversation.com/the-digital-future-may-rely-on-ultrafast-optical-electronics-and-computers-205820