Sobre la Computación óptica y algunas de sus investigaciones científicas recientes

3년 전

(Por: Richard F. Lyon, CC BY 3.0)

Hola apreciados lectores de Steemit. Es para mí siempre un gusto saludarlos, en especial a todos los que gusten leer sobre Ciencia, Tecnología, Ingeniería, Matemática y demás áreas del conocimiento humano y que son bien representadas por el trabajo de comunidades geniales como #stem-espanol, #proconocimiento, #votovenezuela, #entropia, #curie, #la-colmena y muchas otras. Para esta ocasión comparto con ustedes un artículo sobre una nueva generación de computadoras que está por venir y que introducirá grandes cambios en nuestra vida, reseñando también algunas investigaciones científicas de punta en este campo. Espero les guste.


Desde la época de la computadora ENIAC en 1946, la cual ha sido una de las primeras computadoras electrónicas inventadas, los avances que se han dado en el sector de la tecnología de información han sido exponenciales, cuyos cambios hoy día son para nosotros considerablemente notorios. Así pues, una monumental computadora como la ENIAC, que pesaba 27 toneladas y ocupaba una habitación completa, pasó a ser reducida en tamaño hasta convertirse en un equipo con unos pocos centímetros en sus dimensiones, y que cómodamente puede colgar de su muñeca (y las hay mucho más pequeñas que eso), y ni hablar de su potencia, superada por un factor de más de un millón por el más modesto de los teléfonos celulares inteligentes actuales o por la computadora que actualmente usa para leer este artículo.


Computadora ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) de 1943; un hito de la computación en su tiempo, hoy día fácilmente superada en potencia por cualquier teléfono inteligente. | Dominio público | FUENTE


Sin embargo, en la corta historia que tiene la tecnología de computadoras, hay algo que se ha mantenido bastante uniforme, constante, estable a lo largo de esos años, eso es: son dispositivos electrónicos y, como tal, están basados en corriente eléctrica. Sí, son parte de esos que han sido la cúpula de los inventos tecnológicos tras haber superado el potencial de las máquinas mecánicas y tras la domesticación de los principios físicos implicados por parte de notables científicos como Ampere, Maxwell, Faraday y muchos otros.

Las computadoras que mejor nos depara el futuro, sin embargo, se basarán en principios de la Mecánica cuántica, con lo cual se dará origen a las computadoras cuánticas, cuyas velocidades serán impensablemente más rápidas que las computadoras actuales. Sin embargo, ese es un tema extenso y digno para otros artículos. Mientras tanto, la corriente eléctrica seguirá siendo útil para estos propósitos por un buen rato, aunque valdrá la pena decir que en el camino hacia la computación cuántica nos conseguiremos con un importante puente, otro tipo de tecnología informática que también promete sustanciales mejoras: la computadora óptica.

Lo de óptica nos lleva a pensar inmediatamente en la luz. De hecho, como rama de la física, la óptica tiene que ver precisamente con el estudio del comportamiento y propiedades de la luz, lo que cultiva el conocimiento que usan los ingenieros para desarrollar aplicaciones prácticas, que es lo que pasa con la “ingeniería óptica”, precisamente.

De hecho, actualmente, ya hay una variedad de técnicas y tecnologías donde se aplica la manipulación óptica, tales como el láser, la televisión LCD, incluso los lectores de CD, DVD, Blue Ray que disponemos en nuestra computadora o reproductor, entre otros artefactos que recurren a las bondades del fotón y sus propiedades para darnos sus prestaciones en términos de velocidad, exactitud, etc. También hay que mencionar como conquistas significativas a las conexiones de fibra óptica, las cuales han acelerado grandemente la velocidad de las telecomunicaciones.


Tecnologías basada en la óptica: láser, LCD, lectores DVD, fibra óptica, etc.| @jrevilla usando imágenes de Pixabay


No obstante, al hablar de "computadora óptica", ello implica colocar en perspectiva la óptica con la computación. Como disciplina, se trata de los estudios sobre “opticalización” de los procesos de computación y, de hecho, algunos consideran a la computación óptica una rama de la óptica desde la década de los 50, aunque también consideran que han existido estudios pioneros que datan de 1859 como la llamada "prueba de la navaja" de Foucault, y de 1893, con la "teoría de la formación de la imagen en el microscopio" de Abbe.

La computadora óptica, consecuentamente, se refiere a todas aquellas tecnologías que permiten implementar la computación a través de dispositivos que manipulan luz en lugar de electricidad, lo cual regiría sobre cuestiones como procesamiento, almacenamiento y transmisión de información (procesos esenciales en la informática).

Esta tecnología basaría su funcionamiento en la manipulación del fotón en lugar del electrón, siendo la primera la partícula que porta la radiación electromagnética, la cual, como sabemos, se manifiesta en variaciones de la luz, tales como el infrarrojo hasta los rayos gamma.

El fotón parece tener propiedades que no posee el electrón y que pueden ser altamente aprovechables para desarrollar técnicas de manipulación de información. De hecho, entre sus beneficios directos se cuentan que pudieran desarrollarse dispositivos que no sufrirían sobrecalentamiento, lo cual es algo que sí pasa con todos los equipos electrónicos basados en corriente eléctrica de hoy día. Además, dado que la frecuencia de la luz es considerablemente más alta (entre 4x1014 y 8x1014 Hz) que la (60 Hz), esto podría permitir alcanzar velocidades muchísimo mayores.

¿Qué nos depara el presente y el futuro en función de las investigaciones? Pues, a continuación reseñaré brevemente algunos casos de investigaciones científicas y proyectos relacionados con la computación óptica, enfocándonos en tres efectos esenciales de la computación aplicada misma: la transmisión, el almacenamiento y el procesamiento de información. Para cada una señalaré su fuente a fin de que profundices tanto como desees.

En primer lugar, ya hemos mencionado como caso ejemplar de aplicación de la tecnología óptica al cable de fibra óptica, el cual, mediante su capacidad para el paso de luz, supera la labor del cobre en beneficio de la tecnología de telecomunicación (transmisión). La verdad es que los proyectos en este campo no se detienen, pues hasta el año pasado investigadores del Instituto Real de Tecnología de Melbourne (RMIT) anunciaron el desarrollo de una técnica que podría acelerar hasta 100 veces la velocidad de la conexión a Internet al hacer que los haces de luz viajen de manera retorcida (“configuración de sacacorchos” o de “espiral”) por el cable de fibra óptica en lugar de viajar en línea recta.

Las implicaciones de una mayor velocidad por un factor de 100 son muy sensibles, considerando que las redes 5G son de lo último y ya ofrecen velocidades increíbles usando tecnología convencional. Podrás conseguir más información sobre esta investigación en la fuentes.

Por su parte, en cuanto a almacenamiento, sabemos que las tecnologías informáticas modernas se han basado mayormente en los discos magnéticos, un dispositivo que no es muy difícil de identificar al revisar nuestro computador por dentro. Pese a haber sido muy efectivos, los discos duros consumen mucha energía para operar. No obstante, la luz también se torna un gran desafío para ofrecer soluciones aquí, puesto que ella no es fácil de ser almacenada. Podrá almacenar electricidad en una batería (pila), pero, ¿cómo almacena luz?


Interior de un disco duro magnético. Se aprecian sus dos platos con sus respectivos cabezales de lectura y escritura| SPEr (CC BY-SA 3.0) | fuente

Con todo, desde el Instituto de Integración Fotónica de la Universidad de Tecnología de Eindhoven (TU/e), algunos científicos han creado una "tecnología híbrida" que combina la ventaja de ambas técnicas. De acuerdo a la investigación, "los pulsos de luz ultra cortos (femtosegundos) permiten que los datos se puedan escribir directamente en una memoria magnética de una manera rápida y altamente eficiente de la energía.". Esta investigación parece verdaderamente prometedora para introducir importantes innovaciones en el proceso de almacenamiento de datos en eventuales circuitos integrados fotónicos. Podrás conseguir más información al respecto en las referencias.

Por útimo, con respecto al procesamiento, de acuerdo con el Instituto de Asociación de Investigación Belinesa, se han podido desarrollar nuevas técnicas de absorción de luz en semiconductores las cuales obtienen medidas de reloj hasta 5 mil veces más rápidas que los modernos procesadores. Tanto es así que las frecuencias de reloj obtenidas se miden en teraherzios en lugar de gigaherzios, como se hace actualmente. El estudio es demasiado reciente (este mismo año 2019) y según sus autores (el Dr. Ghalgaoui y otros), la corriente eléctrica puede ser mejor producida a través de cristales semiconductores que absorben luz, tal como el arseniuro de galio (GaAs).

Los autores de la investigación auguran la aparición de computadoras mucho más rápidas que las que disponemos actualmente, dado que los hallazgos tienen "aplicaciones novedosas e interesantes en electrónica de alta frecuencia". Podrás conseguir más información sobre este estudio en las fuentes, lo que incluye la noticia de prensa oficial sobre la "recién-salida-del-horno" investigación.

Ciertamente, el futuro nos depara importantes avances en la tecnología de computadoras que desde luego retroalimentarán potentemente muchas de las actividades diarias de nuestra sociedad, lo que incluye la investigación científica. Desde luego, la altas velocidades de las computadoras ópticas nos servirán para el procesamiento de problemas científicos difíciles, mediante la ejecución de modelos computacionales. Así, por ejemplo, la empresa de origen inglés Optalysys ya ha logrado desarrollar un “coprocesador óptico” capaz de realizar cálculos matriciales y de Transformada de Fourier a asombrosas velocidades, utilizando apenas una fracción de la energía que utilizaría un procesador electrónico convencional para el mismo cometido.

La misma empresa vaticina que las computadoras totalmente ópticas aparecerán "en unos pocos años". Qué bueno que será "muy pronto" y podamos conocer esta nueva revolución tecnológica.


Algunas fuentes:

Optical Computing: A 60-Year Adventure

Avances en redes ópticas hará funcionar a las redes 100 veces más rápido (artículo en inglés)

Los dispositivos de memoria fotónica de próxima generación están "escritos a la luz", ultrarrápidos y eficientes energéticamente (en inglés)

5000 veces más rápido que una computadora: un rectificador atómico para la luz genera una corriente eléctrica dirigida (en alemán)

Para el año 2020, podrías tener una computadora óptica de velocidad de la luz en tu escritorio (en inglés)

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