Procesadores fotónicos

El procesador fotónico fue previsto hace treinta años, en el libro El desafío informático, (ISBN 84-205-1128-5). Consiste en unidades de cálculo lógico que, en lugar de utilizar la electricidad, utilizan la luz, con lo que, al sustituir los electrones por fotones, son más rápidos, compactos, eficientes energéticamente y, muy importante, no se calientan, evitando la necesidad tanto de líquidos refrigerantes como de molestos ventiladores. El corazón del sistema son los elementos ópticos biestables. Son elementos que pueden ser tanto transparentes a la luz como opacos, en función de que reciban o no una excitación determinada, con lo cual actúan como los antiguos triodos, las viejas válvulas con rejilla, o los transistores. El hecho de dejar pasar la luz se interpreta como un 1 y el no dejarla parar se asocia a un 0, con lo que podemos configurar diferentes puertas lógicas fotónicas mediante la combinación apropiada de elementos ópticos biestables.

Si con los procesadores electrónicos estábamos ya hablando de Gigas (10 a la 9), con los fotónicos se pasaría inmediatamente a Teras (10 a la 12), de manera que los procesadores fotónicos, al manejar más y más rápido información, permiten resolver eficientemente problemas más complejos. Los cristales fotónicos se podrían llegar a reducir al orden de la longitud de onda de la luz que procesen, mientras los chips electrónicos están llegando al límite físico de su posible compactación. Se espera lograr con la fotónica una densidad de 300 Gbps por milímetro cuadrado, lo que supone del orden de 50 veces más que los microprocesadores electrónicos.

En septiembre de 2006,  la empresa Intel, junto con la Universidad de California en Santa Bárbara, dieron a conocer el primer láser de fosfuro de indio gracias al cual, se podrían llegar a fabricar chips fotónicos. El Hybrid Silicon Laser (láser de silicio híbrido de silicio y fosfuro de indio), así como moduladores ópticos de alta velocidad y fotodetectores, anunciados en 2007 abren la tecnología HSL a la transmisión fotónica económica de datos a cortas y largas distancias. La computación fotónica aprovecha la dualidad partícula-onda de la luz, de manera que puede ser transmitida como ondas y procesada como partículas.

Ya en abril de 1977, General Telephone and Electronics había enviado la primera transmisión telefónica mediante luz confinada a través de fibra óptica y, otro invento relevante para la transmisión de señales ópticas a larga distancia fue el amplificador óptico inventado por David N. Payne, de la Univedrsidad de Southampton, y por Emmanuel Desurvire de los Laboratorios Bell. La fuente de las señales ópticas pueden ser un láser o una lámpara LED. La combinación de láseres y fibras ópticas permite sustituir las conexiones eléctricas de cobre por conexiones fotónicas en los circuitos de las computadoras. Las interferencias electromagnéticas entre los circuitos de cobre imponen limitaciones, principalmente de longitud y proximidad entre ellos, que las conexiones fotónicas no tienen. En la Integrated Photonics Research Conference, en Monterey, California, Justin Rattner, director de Intel Labs, mostró el Silicon Photonics Link (Enlace Fotónico de Silicio), lo que permitía construir placas de circuitos fotónicos integrados para computadores en las que se prescindía de los cables de cobre. Tambien se cuenta con multiplexores fotónicos, que integran varias señales en una única señal. El camino al ordenador fotónico estaba abierto.

Recientemente, el profesor Vladimir Stojanovic de la Universidad de Colorado ha anunciado el primer microprocesador fotónico (procesador que utiliza la luz) que se comunica con los circuitos electrónicos convencionales. Las transmisiones fotónicas tienen lugar en un solo chip, que también integra la electrónica tradicional. La combinación de fotones y electrones tiene que superar el gran problema de que los electrones absorben fotones. Recordemos que un electrón puede absorber un fotón y convertirse en un electrón de mayor energía y que los fotones son las partículas de intercambio entre electrones que producen el campo electro-magnético. La manera de asegurar la limpieza de la señales fotónicas de electrones libres consiste en intercalar un campo eléctrico que elimine los electrones a la salida de la fuente de fotones. La conversión de fotones en electrones es conocida desde el descubrimiento del fenómeno fotoeléctrico y la generación de fotones por medio de la electricidad está totalmente disponible mediante láseres y lámparas LED. Esa convertibilidad permite ensamblar elementos fotónicos con electrónicos ya existentes y disponibles comercialmente. No pasará mucho tiempo antes de que tengamos ordenadores fotónicos comerciales. La disponibilidad de procesadores y transmisores fotónicos será un importane auxiliar en la creación de procesadores cuánticos que utilicen técnicas de entrelazamiento fotónico.

                           Circuito fotónico-electrónico

         Crédito: Glenn J. Asakawa, Universidad de Colorado

La aparición de los procesadores fotónicos hace que, a fecha de hoy, todas las previsiones anunciadas en El desafío informático en 1975 se han hecho realidad.