Un equipo de científicos miniaturiza el arco iris y es el futuro de los microchips

Aunque redundante y obvio, empecemos por el principio. Durante décadas, los chips electrónicos (los de procesadores, memorias, etc.) se han comunicado con electrones que viajan por cables de cobre. Pero pronto se encontraron con un problema a medida que aumentaban la potencia y la velocidad de procesamiento: los electrones que usaban para transmitir generan calor. Y, a medida que los chips son más potentes, mover datos entre ellos consume casi tanta energía como procesarlos.

Fue entonces cuando comenzaron a usarse fotones (partículas de luz) en lugar de electricidad para transportar información dentro o entre chips. Y la mejor opción eran los láseres, ya que los fotones que emite están perfectamente sincronizados. Eso lo convierte en una herramienta ideal para transmitir información codificada con precisión. Pero estos también tienen un límite: hay un solo canal. Y cuantos “más ríos de información”, mejor.

Aquí es donde entra un nuevo estudio. Imagina que antes solo podías enviar mensajes usando una linterna con una única luz blanca (una longitud de onda). La solución era un “peine de frecuencia” o frequency comb, una tecnología que divide esa luz blanca en decenas de colores, cada uno estable, coherente y sin interferir con los demás. Así, es posible enviar simultáneamente decenas de mensajes distintos por una sola fibra óptica, todos de distinto color y viajando a la velocidad de la luz. Y lo más impresionante es que todo eso ocurre en un dispositivo del tamaño de una uña. Han miniaturizado el arco iris.

Eso es lo que ha conseguido un equipo de ingenieros de la Universidad de Columbia y resulta ser caso poético: meter un arco iris entero dentro de un chip. Y, con él, han dado un paso clave hacia una nueva era en la transmisión de información y el ahorro energético de los centros de datos que sostienen la inteligencia artificial.

El avance, publicado en Nature Photonics por el equipo de Michal Lipson, demuestra que es posible crear un “peine de frecuencias” óptico (una fuente de luz que contiene decenas de colores perfectamente ordenados) dentro de un dispositivo de silicio del tamaño de una uña. Hasta ahora, generar esa luz especial requería equipos del tamaño de un armario y láseres ultracaros. Lipson y su grupo lo han reducido a una sola pieza de hardware, barata, estable y escalable.

Para entender la magnitud del avance, conviene imaginar cómo funciona un frequency comb. A diferencia de un láser convencional (que emite un único color de luz), un peine de frecuencias produce muchas longitudes de onda distintas, espaciadas con una precisión matemática. Vistas en un espectrómetro, aparecen como una serie de picos igualmente separados: los “dientes” del peine.

Cada uno de esos dientes puede transportar información distinta sin interferir con los demás. En telecomunicaciones, eso significa que una sola fibra óptica puede enviar decenas de flujos de datos paralelos, multiplicando la capacidad sin añadir más cables ni más energía. Es el principio del wavelength-division multiplexing (WDM), la tecnología que hizo posible Internet a finales del siglo XX, ahora reinventada en formato chip.

“Hemos combinado la potencia de un láser industrial con la precisión de un reloj óptico, todo en un solo chip”, explica el ingeniero Andrés Gil-Molina, líder del estudio, en un comunicado.

Los centros de datos que alimentan la inteligencia artificial están saturados: consumen cantidades masivas de energía y necesitan mover información entre procesadores a velocidades cada vez mayores. Actualmente, cada canal óptico suele requerir su propio láser, ocupando espacio y generando calor.

El nuevo dispositivo puede reemplazar decenas de láseres por un solo chip que genera todos los canales de luz necesarios. Esto reduce el tamaño del hardware, abarata la infraestructura y, sobre todo, disminuye el consumo energético, uno de los grandes retos tecnológicos y climáticos del siglo XXI.

“El avance llega en el momento justo – añade Lipson -. La demanda de luz potente y eficiente es enorme, y este tipo de integración puede cambiar la arquitectura de los centros de datos”.

Pero el impacto va mucho más allá de Internet. Un peine de frecuencias compacto y estable es una herramienta extremadamente versátil. Puede servir para tecnología LiDAR, capaz de mapear objetos con resolución milimétrica y bajo coste, ideal para vehículos autónomos.

También se aplica en espectroscopía portátil, que permitiría detectar contaminantes o diagnosticar enfermedades sin equipos voluminosos o en relojes ópticos en miniatura, los más precisos del mundo, esenciales para sincronizar redes cuánticas o sistemas GPS. En computación cuántica, donde los fotones de distintas frecuencias pueden codificar y entrelazar información cuántica.