En 1945, dos investigadores de la Universidad de Pensilvania —J. Presper Eckert y John Mauchly— encendieron ENIAC, la primera computadora electrónica de propósito general del mundo. Usaba electrones. Ocho décadas después, físicos de esa misma universidad acaban de publicar un avance que podría redefinir nuevamente los fundamentos de la computación: una partícula híbrida que combina la velocidad de la luz con la capacidad interactiva de la materia, y que por primera vez demostró ser capaz de realizar las operaciones de conmutación que los chips necesitan para computar —usando solo luz y con un consumo energético casi imposible de imaginar.
El problema que frena a la computación fotónica
La idea de usar luz en lugar de electrones para computar no es nueva. Los fotones —las partículas que componen la luz— tienen ventajas obvias: no tienen masa en reposo ni carga eléctrica, lo que significa que pueden transportar información a velocidades altísimas y con pérdidas mínimas de energía. No generan calor por fricción. No se degradan al pasar por distancias largas. Por eso dominan las telecomunicaciones modernas.
Pero cuando se trata de computar, los fotones tienen un defecto fundamental: son demasiado independientes. «Esa neutralidad significa que apenas interactúan con su entorno, lo que los hace malos para el tipo de lógica de conmutación de señales de la que dependen las computadoras», explicó Li He, co-primer autor del estudio y exinvestigador posdoctoral del laboratorio de Bo Zhen en Penn. Muchos chips fotónicos de IA ya pueden hacer cálculos simples con luz, pero cuando necesitan aplicar reglas de decisión —los pasos de activación no lineal que dan potencia real a las redes neuronales— deben convertir las señales de luz de vuelta a señales electrónicas. Esas traducciones repetidas eliminan gran parte de la eficiencia que hace atractiva la computación fotónica.
La partícula que une lo mejor de dos mundos
La solución del equipo de Zhen fue crear un nuevo tipo de cuasipartícula: el excitón-polaritón. No es una partícula en el sentido estricto del término, sino una entidad cuántica que emerge cuando un fotón se acopla fuertemente con un excitón —una excitación electrónica— en un semiconductor atomicamente delgado. El resultado es una partícula híbrida que «combina la velocidad de la luz con las fuertes interacciones de la materia», en palabras del propio Zhen.
Para crear esta partícula, el equipo construyó una cavidad nanoscópica que confina la luz a escala atómica, haciendo que interactúe intensamente con el material semiconductor. El dispositivo puede controlar y cambiar señales ópticas sin necesidad de convertirlas en señales electrónicas en ningún momento del proceso.
4 femtojulios: un número que redefine lo que significa «bajo consumo»
El resultado más llamativo del experimento fue el consumo energético del sistema de conmutación: aproximadamente 4 femtojulios por operación, es decir, 4 cuadrillonésimas de julio. Eso equivale a una fracción infinitesimal de la energía necesaria para encender brevemente un LED diminuto. Para ponerlo en contexto: los chips electrónicos modernos consumen varios órdenes de magnitud más energía por operación equivalente. En un mundo donde los centros de datos de IA ya consumen más electricidad que algunos países, esa diferencia no es trivial.
El estudio fue publicado en Physical Review Letters. «Muchos chips fotónicos de IA ya pueden realizar cálculos directos usando luz», señaló Zhen. «Pero para los pasos de activación no lineal todavía deben convertir las señales de luz de vuelta a señales electrónicas, más lentas y que consumen más energía. Esas traducciones repetidas erosionan la velocidad y la eficiencia que hacen atractiva la computación fotónica». Los excitón-polaritones eliminan esa conversión por completo.
Qué podría cambiar si esto escala
Los investigadores señalan tres aplicaciones inmediatas si la tecnología logra escalar fuera del laboratorio. Primera: chips fotónicos que puedan procesar directamente las señales de luz provenientes de cámaras, sin conversión electrónica. Segunda: reducción drástica del consumo energético de los grandes modelos de IA, que hoy requieren centros de datos con demandas eléctricas equivalentes a ciudades medianas. Tercera: una vía hacia computadoras que procesen información a velocidades más cercanas a la de la luz, con latencias impensables en los sistemas actuales.
El equipo también apunta a que esta plataforma podría ser un paso hacia la computación cuántica fotónica: los excitón-polaritones tienen propiedades cuánticas que podrían aprovecharse para operaciones que van mucho más allá de lo que los chips clásicos, incluso fotónicos, pueden hacer.
Del laboratorio al chip: el camino que falta
El experimento fue realizado a temperatura criogénica, lo que limita por ahora su aplicación práctica. Escalar los excitón-polaritones a temperatura ambiente y a los tamaños necesarios para chips comerciales son los dos grandes desafíos que quedan por resolver. Pero el principio quedó demostrado: es posible hacer computación completa —incluyendo los pasos no lineales más complejos— usando solo luz, con un consumo energético que hace que los chips actuales parezcan ineficientes por diseño. En Penn, ochenta años después de ENIAC, la historia de la computación volvió a girar.
