Tecnología fotónica, el impulso de la luz para ordenadores ultrarrápidos

Es cada vez más difícil duplicar la potencia de cálculo y aumentar la velocidad ya consiste en incluir más núcleos en paralelo. Esta barrera tendrá un desvío gracias a la computación cuántica, pero logrará un sustituto parcial gracias a la computación fotónica basada en pulsos de luz.

¿Qué es la computación fotónica y qué la diferencia de la electrónica?

Para entender la computación fotónica, primero es importante pararse a pensar en la computación electrónica, es decir, la que se usa a diario. Electrónica viene de electrón, esa partícula del átomo con carga negativa que se mueve a través de un metal. Todos los ordenadores, incluidos el reloj inteligente, el móvil o el termostato, piensan con electrones moviéndose de un lado a otro.

Pero esto plantea problemas técnicos importantes. Cuando un electrón viaja a través de un cable, no lo hace de forma recta, sino que se parece más a un pinball en el que el electrón va golpeándose contra los átomos y otros electrones que encuentra. Estos golpes producen errores de cálculo, ralentizan la tecnología y producen calor. Por eso los chips de los procesadores se calientan mucho, y se calientan más cuantas más operaciones hacen.

La computación fotónica cambia completamente las reglas del juego porque el fotón carece de masa. Es el motivo por el que lo usemos en fibra óptica. Podemos meter miles de fotones con información en tubos de cristal, enviarlos a kilómetros de distancia, y que no interactúen entre sí ni se pisen unos a otros. El objetivo de la computación fotónica es usar estas propiedades no solo para enviar información, sino para procesarla.

Cómo funciona la computación fotónica

Existen varios tipos de computación fotónica. La que más avanzada está es la computación cuántica fotónica, que consiste en hacer cálculos empleando lo que se llama “láser pulsado”. En esencia, es un láser que emite partículas de luz a pulsos en lugar de hacerlo de forma continua. ¿La barrera? Detectar y contar fotones es muchísimo más complicado que contar electrones, precisamente por sus características de no tener masa o viajar a la velocidad de la luz.

No es que no tengamos sensores capaces de detectar fotones. Después de todo, la fibra óptica funciona así. Pero se necesita identificar del orden de 100 fotones cada pocos microsegundos para empezar a hablar de computación efectiva capaz de superar a la computación electrónica. Y no se está cerca. Necesitamos un mínimo de resolución de 50 fotones y estamos en 20 en condiciones ideales de laboratorio; aunque en momentos puntuales se han logrado hitos importantes.

¿Es posible combinar computación fotónica con sistemas como la cuántica o el silicio?

Aunque no es una analogía perfecta, el paso de electrones a fotones es similar a cambiar coches por bicicletas para mejorar la eficiencia: la calzada, las normas de circulación o los pasos de cebra van a seguir ahí y son integrables tanto en la transición como en la futura computación.

Así, la computación fotónica está tratando de integrar una tecnología de envío de información a la velocidad de la luz con un soporte de memorias basados en silicio, de forma que cuando la tecnología se vuelva comercial es muy probable que se sigan usando discos de estado sólido combinados con chips de silicio, de forma no muy diferente a como se cambió del HDD al SSD manteniendo la estructura de los procesadores.

Hay que pensar en la tecnología fotónica de la forma en que se piensa en el USB-C como componente: ha cambiado nada y lo ha cambiado todo. No ha sido un cambio fundamental, pero sí una mejora notable. El salto de la electrónica a la fotónica usa otras escalas, pero no cambiará el funcionamiento de los ordenadores, los cables de alimentación o las pantallas. Lo que sí hará es multiplicar la velocidad de procesamiento de forma drástica.

Sistemas híbridos que combinen fotónica y electrónica

Es probable que durante unas cuantas décadas se observen sistemas híbridos eléctrico-fotónicos, que de hecho ya existen. Internet es un sistema híbrido: la información se procesa con electrones dentro de chips y se envía con fotones dentro de cables de fibra óptica. Lo que ocurrirá es que la fibra óptica, los láseres y los detectores de fotones pasarán a ser parte fundamental del funcionamiento de los ordenadores.

Y es posible que en un tiempo la fotónica constituya la práctica totalidad de los ordenadores, algo complicado con la tecnología cuántica que requiere temperaturas bajo cero y alta estabilidad. ¿Cómo se hibridará toda esta tecnología? Probablemente, la nube de electrones actual sea sustituida por un híbrido de cuántica fotónica que procese la información lejos de la pantalla, y esta se envíe rápidamente a los dispositivos móviles, que contarán con componentes fotónicos si se logran miniaturizar. Esto último no es fácil.