Las palabras «fotónica», «terahercios», «nanosegundo» o «luz líquida» nos hicieron agua la boca… Durante un viaje que invitaba a la prensa a descubrir (un poco) los secretos de su laboratorio de investigación europeo en Zürich, IBM nos presentó con una tecnología floreciente, incluso más experimental que la computación cuántica. Su nombre: el procesador fotónico. ¿Su objetivo? Resuelva problemas muy simples con baja energía y latencia de nanosegundos.

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IBM no es el único que trabaja en fotónica: Intel está trabajando en la producción de tales chips en sus fábricas, ¡adquiridos de IBM! Y el gigante de Santa Clara tiene varias unidades de I + D que también están trabajando, particularmente en el campo automotriz con su empresa filial Mobileye. Pero, cuando la mayoría de las tecnologías actuales se enfocan esencialmente en la transmisión de información, los equipos suizos de IBM quieren hacer cálculos. Con rayos láser.

Encuentro con el «maestro del láser»

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En las profundidades de su laboratorio de fotónica suizo, el dueño del lugar es Thilo Stöferle. Apuesto, el científico de rostro redondo y benévolo advierte de inmediato – y en varias ocasiones:

« Esto sigue siendo un proyecto de investigación básica. Somos uno de esos laboratorios que trabajan, a largo plazo, en tecnologías que sabemos muy bien que no se comercializarán rápidamente, si es que se pueden comercializar. Pero llevamos a cabo este tipo de proyectos porque sabemos que la industria informática, e IBM, los necesitarán en el futuro. “, explica Thilo Stöferle.

Entonces, ¿qué hace este caballero y su equipo en el sótano del muy discreto laboratorio de Zúrich?

« De forma sencilla, digamos que estamos intentando desarrollar un chip dedicado al cálculo ultrarrápido de informaciónella explica.

Para ello, el equipo de Thilo Stöferle necesita láseres. Pero no cualquiera. Y sobre todo, no en cualquier estado.

Cuando la luz interactúa con… la luz

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Cuando hablamos de luz, hablamos de un mundo que nos es ajeno. Tanto onda como partícula, la luz no es un objeto físico clásico, sino un sujeto cuántico.
En este mundo infinitamente pequeño, donde las fuerzas gravitatorias dan paso a las interacciones electromagnéticas, las leyes y las propiedades cambian. Esto significa que dos rayos de luz que se cruzan generalmente no tienen interacción.

A diferencia de dos autos, dos palomas o dos salchichas de Morteaux que chocan tan pronto como se cruzan sus trayectorias, los fotones, decididamente muy educados, se esquivan tan bien que nunca pueden ser empujados.

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Al menos en general. Porque esta colisión controlada de rayos de luz, más precisamente de láseres, está en el corazón del proyecto de chip fotónico de IBM.

« Estamos trabajando en transformar una señal óptica en una función lógica. queremos modelar puertas (puertas, nota del editor) Tipo AND u OR encontrado en transistores convencionales «, el explica.

El punto es que, en comparación con una señal eléctrica, un «interruptor» fotónico que funciona con la activación de un solo fotón es 100 veces más rápido y necesita 100 veces menos energía que su equivalente eléctrico.

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Imposible utilizar láseres convencionales, es necesario crear rayos donde la luz se encuentre en estado de onda de materia que actúe de forma coherente. En este estado, esta luz es «fluida», «líquida» y puede controlarse para formar funciones lógicas.

Pero, para que la magia funcionara, para lograr la hazaña de hacer interactuar luz con luz, se necesitaba un componente especial, increíble. Un cristal mágico como el de los cuentos -sí, sí, ya verás- que fue descubierto por casualidad…

De la perovskita disfrazada de kryptonita

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Ningún planeta Ilum lleno de cristales Kyber, como en pícaro uno (Guerra de las Galaxias), o kriptonita del universo de Superman. Pero un cristal exótico que estaba… ¡no muy lejos del laboratorio de IBM!

« Un día, nuestros vecinos de la EPH de Zürich se pusieron en contacto con nosotros para hablarnos de los cristales de perovskita que habían sintetizado y nos pidieron nuestra opinión sobre este tema. explica el Dr. Stöferle.

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Y ahí estaba la revelación… o casi.

« ¡Recibimos sus materiales y durante dos días no entendíamos nada de lo que estábamos viendo! Los cristales no reaccionaron como nada conocido. ¡Nos llevó dos años analizar sus diferentes reacciones para entender lo que estaba pasando! », se entusiasma el investigador.

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Cantos rodados transparentes con reflejos verdes y reaccionando a la luz ultravioleta, los diferentes fragmentos de perovskita que nos mostró la investigadora parecían tener un buen potencial estético montados en pendientes. Pero nada de joyas aquí, lo que cuenta para Thilo Stöferle es obviamente que si su equipo logra superar una cantidad incalculable de desafíos técnicos -difíciles de aprehender para el común de los mortales, de los que formamos parte-, podrán crear y controlar este “luz líquida” y así crear un chip fotónico láser de terahercios.

Y eso, el Hertz, entendemos lo que es. Y sobre todo, con el prefijo tera- delante, podemos ver claramente que las cosas parecen ir rápido. Muy rápidamente.

Luz líquida para láser de terahercios

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Recordemos aquí que el Hertz (denotado Hz) cuantifica el número de ocurrencias de un evento durante un segundo. Una corriente alterna de 50 Hz oscila 50 veces por segundo, un procesador de 4 gigahercios realiza cuatro mil millones de ciclos de reloj por segundo. Y un láser de terahercio tiene una longitud de onda que oscila al menos 1 billón o un billón de veces por segundo. Sí, va rápido, muy rápido incluso.

Pero especifiquemos que tal procesador no tendría nada que ver con nuestros chips actuales, aunque solo sea para la miniaturización. Si bien TSMC y Samsung están en camino de producir circuitos de 3 nm, un procesador fotónico tiene otras limitaciones.

« Con los límites de la física, sabemos que no podremos hacer chips tan densos como los procesadores eléctricos actuales. Por ahora, la miniaturización está limitada por la longitud de onda del láser, alrededor de 100 nm. ¡Estamos lejos de las pistas en 5 nm! Por lo tanto, el objetivo es desarrollar chips lógicos simples pero ultrarrápidos. “, describe Thilo Stöferle.

Complementarios a los procesadores convencionales, estos chips fotónicos que, según el Dr. Stöferle, no tienen, ni siquiera virtualmente, “indicadores de desempeño precisos” podrían, sin embargo, sobre el papel, convertirse en componentes valiosos para el futuro. En particular el de los ordenadores cuánticos.

Calcula, decide y comunica a la velocidad de la luz

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Si la hoja de ruta del procesador cuántico de IBM muestra un aumento implacable de la potencia, estas máquinas extremas nunca reemplazarán a nuestras computadoras. Sufren en particular de ciertos cuellos de botella, particularmente en términos de memoria. Limitado en este punto y dependiente de las computadoras convencionales, los tiempos de conversión y transferencia de información se ralentizan y, por lo tanto, aumenta la latencia.

« Los chips fotónicos podrían concebirse como enlaces entre sistemas clásicos y cuánticos, o incluso entre sistemas cuánticos vivos. », imagina a Thilo Stöferle.

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Otro uso, con infraestructuras ya instaladas, sería permitir que equipos como el LHC, el acelerador de partículas del CERN, reaccionen a la velocidad de la luz.

« Los chips fotónicos cuya velocidad de funcionamiento se mide en terahercios podrían ejecutar programas en unos pocos nanosegundos. En el caso de colisiones entre partículas en el CERN, que generan una gran cantidad de datos, un chip de este tipo podría, casi en tiempo real, determinar si una masa de datos generada por un evento es interesante o debe ser evacuada para continuar con el experimento. ».

Nuevamente, al igual que la computadora cuántica o los procesadores neuromórficos, los procesadores fotónicos no están destinados a reemplazar los chips existentes. Pero, como ellos, su llegada podría tener efectos de una magnitud muy significativa en muchos sectores de la investigación y la economía. Todo lo que queda es… domar la «luz líquida».

Nuestra serie dedicada al laboratorio de investigación suizo de IBM:

– Cómo IBM debería allanar el camino revolucionario hacia la ventaja cuántica ya en 2023
– El futuro del almacenamiento masivo está escrito en cintas magnéticas 20 veces más delgadas que tu cabello