La luz podría hacer el futuro de las computadoras aún más brillante

En las entrañas de un nuevo tipo de computadora, un grupo de diminutos LEDs emiten un brillo verde. Esas luces tienen un trabajo que hacer. Están realizando cálculos. En este momento, estos cálculos le están diciendo a la computadora cómo identificar imágenes de números escritas a mano.

La computadora es parte de un programa de investigación en Microsoft. Este dispositivo no está encerrado en una carcasa. «Puedes poner tu mano dentro de la computadora para bloquear la luz», dice Hitesh Ballani. Una vez que hace esto, explica, «no sabe qué problema está resolviendo».

De repente, en lugar de nombrar los números correctamente, la computadora arroja «conjeturas aleatorias», dice Ballani. Luego quita la mano del camino. Ahora la luz que fluye vuelve a calcular correctamente. «Es realmente satisfactorio verlo», dice.

Ballani es un científico informático en Microsoft Research en Cambridge, Inglaterra. Su trabajo implica desarrollar esta máquina, una computadora óptica analógica. Como su nombre lo indica, utiliza la luz para computar. Y ser analógica significa que sus operaciones son lo opuesto a las digitales.

En una computadora digital, las señales son 1 o 0. Es como un interruptor de luz que solo puede encenderse o apagarse. Una señal analógica es más como un regulador de intensidad. Cualquier intensidad de luz entre completamente encendida y completamente apagada es posible.

Para ser claros, la luz ya es una parte importante de la computación digital. Los cables de fibra óptica transmiten datos entre computadoras como rayos de luz. Pero para realizar cálculos, estas computadoras primero deben convertir esa luz en electricidad.

Las computadoras electrónicas están llegando a sus límites. Cada vez es más difícil aumentar su velocidad y potencia. Al mismo tiempo, las nuevas tecnologías como la inteligencia artificial, o IA, requieren cada vez más potencia de cálculo. La «demanda \[por esto\] simplemente está explotando», señala Ballani. Estos sistemas también devoran cada vez más energía.

La computadora óptica analógica y otras nuevas tecnologías de computación basadas en la luz podrían ayudar a satisfacer tales demandas. Esta tecnología también podría ayudar a la IA ecológica y otras tecnologías emergentes al reducir la cantidad de energía que necesitarán.

Un poco de matemáticas de luz

¿Usas anteojos? Si lo haces, ¡felicidades! Tienes tu propia computadora óptica. A medida que la luz de una escena golpea esos lentes, se transforma. La escena pasa de borrosa a nítida. No importa lo que mires, las gafas hacen los cálculos para transformar la escena. «Y lo están haciendo sin costo de energía, excepto el costo original de hacer el vidrio y curvarlo», dice Charles Roques-Carmes. Trabaja en computación óptica en la Universidad de Stanford en Stanford, California, y en el Instituto Tecnológico de Massachusetts en Cambridge.

Las lentes en anteojos, cámaras, microscopios y telescopios son en realidad computadoras ópticas simples. Cada una transforma la luz de una manera predecible. «Todas esas lentes han funcionado como computadoras ópticas analógicas durante siglos», señala Aydogan Ozcan.

Un filtro de lente también hace matemáticas simples con la luz. Un filtro transparente permite el paso de toda la luz. Eso es lo mismo que multiplicar la intensidad de la luz por uno, explica Ballani. Siempre obtienes la misma intensidad en el otro lado.

Un filtro negro bloquea toda la luz, por lo que está multiplicando por cero. Un filtro tintado, como un par de gafas de sol, bloquea solo parte de la luz. Esto equivale a «multiplicar la intensidad de la luz por un valor entre 0 y 1», explica. También puedes sumar con luz. En el chip de la cámara de un teléfono inteligente, se combina la intensidad de muchos rayos de luz que caen sobre la misma área. Esto ilumina ese punto en la imagen.

La multiplicación o la suma ocurren en toda el área de un filtro o un chip de cámara. Muchos rayos de luz diferentes se alteran a la vez.

Realizar operaciones simples en vastas matrices de números resulta ser una parte muy importante de la IA. Pero en la unidad central de procesamiento de una computadora digital, o CPU, todos esos cálculos suelen ocurrir uno por uno. Eso consume tiempo y energía. Una computadora óptica puede realizar múltiples tareas de este tipo de matemáticas a la vez con mayor facilidad. Tenga en cuenta que algunos chips electrónicos especializados utilizados en IA, llamados unidades de procesamiento de gráficos (GPU) y unidades de procesamiento de tensor (TPU), también pueden hacer muchas matemáticas a la vez.

Lentes súper inteligentes

Algunas computadoras ópticas nuevas llevan el concepto de gafas o lentes de cámara al siguiente nivel.

Aydogan Ozcan es ingeniero en la Universidad de California, Los Ángeles. Su equipo diseña sensores que él llama procesadores ópticos difractivos. «Piense en ellos», dice, «como lentes futuristas».

Cada procesador tiene múltiples capas de vidrio o algún otro material a través del cual puede pasar la luz. Cada capa contiene muchas estructuras diminutas. Cada una altera la luz de manera diferente. Y aunque pueden realizar tareas complejas, estos procesadores no requieren energía para funcionar.

Una fábrica podría usar uno para encontrar defectos en el producto que está fabricando. «Digamos que estoy produciendo algún medicamento para el cáncer», sugiere Ozcan. Es importante encontrar cualquier medicamento defectuoso para que no se entregue a los pacientes. Casi todos los medicamentos estarán libres de defectos. Sin embargo, las fábricas de hoy usan computadoras para procesar imágenes de cada lote, buscando el defecto ocasional. Eso desperdicia tiempo y energía.

«Al final del día, tienes demasiados datos», dice Ozcan. «Estamos enterrados bajo los datos».

Un procesador óptico inteligente podría cambiar eso. Podría activar una cámara para detectar defectos automáticamente. Entonces, la fábrica solo necesitaría fotografiar los medicamentos defectuosos.

El grupo de Ozcan diseñó un procesador óptico para esta tarea. Para probar si podría funcionar en una situación del mundo real, utilizaron muestras cuadradas de silicio como sustituto de un producto que una fábrica podría producir. El silicio es un material semiconductor que se encuentra en los chips de computadora estándar. Algunas de estas muestras tendrían defectos grabados en ellas. Los ingenieros tuvieron que averiguar qué pequeñas estructuras agregar a las capas del procesador para que pudiera encontrar estos defectos.

Para hacer esto, los investigadores crearon un procesador óptico virtual con estructuras aleatorias en sus capas. También crearon simulaciones virtuales de cuadrados de silicio prístinos. Luego agregaron defectos a 20.000 cuadrados virtuales más.

«Creamos computadoras que procesan ondas ópticas», dice Ozcan. Luego, utilizaron aprendizaje automático en una computadora normal para entrenar su nuevo procesador virtual. Le mostraron las muestras virtuales. Al principio, solo podía adivinar al azar si había un defecto. Pero después de cada éxito o error, el grosor de muchas partes diminutas del procesador (alterando la cantidad de luz que dejaba pasar) se ajustó para que las respuestas correctas fueran más probables en el futuro.

Al final, la luz virtual que brillaba a través de muestras defectuosas emergía con una intensidad diferente que si pasara a través de una muestra buena.

A continuación, el equipo tuvo que probar que este diseño también funcionaría en el mundo real. Imprimieron en 3D el procesador y lo probaron con un conjunto de 10 obleas de silicio reales. El equipo ya había grabado defectos en nueve de estas.

El procesador identificó correctamente todas las obleas defectuosas e ignoró la normal. El equipo de Ozcan informó de ese éxito en un artículo de octubre de 2023 en Nature Communications.

El grupo también ha diseñado procesadores ópticos para muchos otros tipos de tareas. Uno de sus últimos tiene capas que giran. Estos podrían ayudarlo a cifrar datos.

Millones de multiplicaciones

Una vez que se imprime en 3D una lente inteligente, sus estructuras no cambian. Por lo tanto, cada nueva tarea requiere diseñar una nueva lente. Es posible que solo necesite reimprimir una o dos de sus muchas capas, señala Ozcan. Pero no es realmente programable de la forma en que lo es una computadora típica hoy en día.

La computadora óptica analógica de Microsoft, por el contrario, se puede reprogramar. Pero a diferencia de las lentes inteligentes de Ozcan, no puede capturar luz de un objeto o escena directamente. En cambio, identifica imágenes escritas a mano de archivos de imágenes digitales, que son electrónicos. Un componente, llamado modulador, convierte estos datos electrónicos en luz cambiando el brillo de los LED verdes del sistema.

Esos LED ahora brillan sobre un chip. Es como el chip dentro de un proyector superior que un maestro podría usar en su salón de clases. Este chip de proyector ilumina o atenúa cada rayo de luz para hacer las matemáticas que se pidieron en su programación.

«Hay 4 millones de píxeles en ese chip», señala Ballani. Esto significa que «cuando la luz pasa», dice, «en teoría puedes hacer 4 millones de multiplicaciones \[a la vez\]».

Esos millones de multiplicaciones ocurren una y otra vez. La respuesta a cada problema matemático se retroalimenta al sistema, iluminando o atenuando la luz de nuevas maneras. Cuando se completa el cálculo, la computadora convierte la luz nuevamente en una señal electrónica digital. Y esta se convierte en la respuesta al problema inicial.

Así que es una computadora híbrida óptica/digital.

La luz que pasa a través de sus LED y el chip del proyector solo puede realizar un tipo específico de cálculo. Otros tipos se enrutan a través de una parte electrónica de la computadora. Este componente también funciona de manera muy diferente a la CPU de una computadora normal. Procesa señales eléctricas analógicas, no digitales.

Otras empresas también están trabajando en formas de fabricar computadoras híbridas que utilicen tanto electrónica digital como óptica.

Enseñando nuevos trucos a la luz

Una computadora de propósito general que sea totalmente óptica aún no existe. Y hay una buena razón. Los fotones de luz son más difíciles de controlar que los electrones que impulsan los cálculos en las computadoras normales.

En las entrañas de una computadora digital típica, los componentes gestionan el flujo de electricidad. Esto es como controlar el flujo del tráfico en las carreteras. Los transistores inician y detienen rápidamente la electricidad o aumentan su velocidad de flujo. Los diodos fuerzan a la electricidad a ir en una sola dirección.

La mayoría de los tipos de cálculos requieren un control de tráfico tan preciso.

Sin embargo, los fotones no obedecen las mismas reglas de la carretera. Es difícil hacerlos parar y arrancar o fluir en una sola dirección. «A la mayoría de los fotones no les gusta interactuar con su entorno en absoluto», señala Jennifer Dionne. Es científica de materiales en la Universidad de Stanford.

Controlar los fotones generalmente requiere materiales voluminosos como imanes grandes. Pero los chips de computadora son súper pequeños. Sin una forma de controlar lo que hace la luz a estas pequeñas escalas, «creo que nos quedaremos atrapados en la edad oscura de la computación», dice Dionne.

Afortunadamente, es experta en encontrar nuevas formas de controlar la luz. En 2019, su equipo diseñó un nuevo tipo de diodo. Es muy pequeño. Aún así, puede hacer que la luz fluya en una sola dirección. Dionne consiguió que el material de este diodo actuara como un imán.

«Cuando un fotón atravesaba el material, sentía como si estuviera en un campo magnético», explica, «y por lo tanto solo podía ir en una dirección».

Desde 2019, su equipo ha estado trabajando en materiales para cambiar la intensidad de la luz. «Hemos demostrado que podemos encender y apagar la luz a velocidades muy rápidas», dice.

Su equipo ha combinado esto con su nuevo diodo. Su estudiante de doctorado, Hamish Carr Delgado, ahora planea convertir esto en un producto. Probablemente no entraría en una computadora óptica todavía. Pero podría ser muy útil en los centros de datos, dice Dionne. Allí, podría ayudar a dirigir los datos, moviéndose como la luz, entre varios componentes electrónicos de la computadora.

Para seguir mejorando las computadoras en el futuro, dice Dionne, necesitaremos una gama de enfoques diferentes. La óptica es claramente prometedora. Pero está lejos de ser la única. También está la computación cuántica. Y las computadoras que imitan cómo funcionan los cerebros.

Cualquiera de esos tipos podría incluir luz para parte de sus operaciones. Por ejemplo, la empresa PsiQuantum, con sede en Palo Alto, California, ha desarrollado una forma de realizar operaciones cuánticas con fotones individuales. Han construido componentes diminutos que producen y detectan fotones individuales. Y han hecho componentes que controlan los fotones.