Cuasipartículas para dar el salto definitivo hacia la computación fotónica

Hace ochenta años, J. Presper Eckert y John Mauchly, de la Universidad de Pensilvania en Estados Unidos, inauguraron la era de la computación electrónica al utilizar electrones para resolver problemas numéricos complejos con ENIAC, una de las dos primeras computadoras electrónicas de propósito general del mundo. (La otra fue la de Konrad Zuse en Alemania).

Hoy en día, esa misma arquitectura de las primeras computadoras sigue siendo la base de la computación general, pero los electrones comienzan a mostrar sus limitaciones. Debido a que poseen carga eléctrica, pierden energía en forma de calor, encuentran resistencia al moverse a través de los materiales y se vuelven más difíciles de manejar a medida que los chips incorporan más transistores y procesan mayores volúmenes de datos.

Con la inteligencia artificial requiriendo más y más recursos, y el hardware convencional forzado a procesar más información, el fotón se presenta como una alternativa interesante al electrón.

Debido a su neutralidad eléctrica y masa en reposo cero, los fotones pueden transportar información rápidamente a largas distancias con pérdidas mínimas, lo que los ha llevado a tener un papel estelar en la actual tecnología de las comunicaciones. Pero esa neutralidad implica que apenas interactúan con su entorno, lo que los hace poco adecuados para el tipo de lógica de conmutación de señales de la que dependen los ordenadores.

Unos científicos han creado una cuasipartícula que combina la velocidad de la luz con las fuertes interacciones de la materia. Estas cuasipartículas, denominadas excitones-polaritones, se crean acoplando fotones con electrones en un semiconductor de espesor atómico.

En esta ilustración, la luz se acopla a una cavidad a nanoescala e interactúa con un material de espesor atómico, creando excitones-polaritones. Estas partículas híbridas combinan la velocidad de la luz con la capacidad de interacción de la materia, lo que permite la conmutación de señales ópticas con gran eficiencia. (Imagen: Zhi Wang)

El logro es obra de Bo Zhen, Zhi Wang y Bumho Kim, de la Universidad de Pensilvania en la ciudad de Filadelfia, así como Li He, antes en la Universidad de Pensilvania y ahora en la Universidad Estatal de Montana, en Estados Unidos todas estas instituciones.

El avance ahora logrado puede resultar especialmente importante para la inteligencia artificial.

Muchos chips de inteligencia artificial fotónica ya pueden realizar cálculos sencillos usando luz, pero para llevar a cabo pasos de activación no lineales, como la aplicación de reglas de decisión, aún deben convertir las señales de luz en señales electrónicas, más lentas y que consumen más energía.

Estas conversiones repetidas reducen la velocidad y la eficiencia que hacen atractiva la computación fotónica. Mediante el uso de excitones-polaritones, el equipo ha demostrado la viabilidad de una conmutación eficiente a base exclusivamente de fotones, y con un consumo energético muchísimo menor que en necesario para que un LED emita luz durante un instante.

Cuando esta nueva tecnología esté plenamente adaptada para dar el salto del laboratorio a la vida cotidiana, podría ayudar a los chips fotónicos a procesar la luz directamente de las cámaras, reducir las necesidades energéticas de los grandes sistemas de inteligencia artificial y abrir el camino hacia la implementación de capacidades básicas de computación cuántica en chips.

Bo Zhen y sus colegas exponen los detalles técnicos de su innovación en la revista académica Physical Review Letters, bajo el título “Strongly Nonlinear Nanocavity Exciton Polaritons in Gate-Tunable Monolayer Semiconductors”. (Fuente: NCYT de Amazings)