Liberando el poder de la computación fotónica con 'vida' artificial

7 de junio de 2023

Este artículo ha sido revisado de acuerdo con el proceso editorial y las políticas de Science X. Los editores han resaltado los siguientes atributos al tiempo que garantizan la credibilidad del contenido:

verificado

publicación revisada por pares

fuente confiable

corregir

por Emily Velasco, Instituto de Tecnología de California

La búsqueda interminable de computadoras más rápidas y más pequeñas que puedan hacer más ha llevado a los fabricantes a diseñar transistores cada vez más pequeños que ahora se incluyen en chips de computadora por decenas de miles de millones.

Y hasta ahora, esta táctica ha funcionado. Las computadoras nunca han sido más poderosas que ahora. Pero hay límites: los transistores de silicio tradicionales sólo pueden llegar a ser pequeños debido a las dificultades en la fabricación de dispositivos que, en algunos casos, tienen sólo unas pocas docenas de átomos de ancho. En respuesta, los investigadores han comenzado a desarrollar tecnologías informáticas, como computadoras cuánticas, que no dependen de transistores de silicio.

Otra vía de investigación es la computación fotónica, que utiliza luz en lugar de electricidad, de manera similar a cómo los cables de fibra óptica han reemplazado a los cables de cobre en las redes informáticas. Una nueva investigación realizada por Alireza Marandi, profesor asistente de ingeniería eléctrica y física aplicada de Caltech, utiliza hardware óptico para realizar autómatas celulares, un tipo de modelo informático que consiste en un "mundo" (un área cuadriculada) que contiene "células" (cada cuadrado de la cuadrícula ) que pueden vivir, morir, reproducirse y evolucionar hasta convertirse en criaturas multicelulares con sus propios comportamientos únicos. Estos autómatas se han utilizado para realizar tareas informáticas y, según Marandi, son ideales para tecnologías fotónicas.

El artículo que describe el trabajo, titulado "Autómatas celulares elementales fotónicos para la simulación de fenómenos complejos", aparece en la edición del 30 de mayo de la revista Light: Science & Applications.

"Si comparas una fibra óptica con un cable de cobre, puedes transferir información mucho más rápido con una fibra óptica", dice Marandi. "La gran pregunta es ¿podemos utilizar esa capacidad de información de la luz para la computación en lugar de solo para la comunicación? Para abordar esta pregunta, estamos particularmente interesados ​​en pensar en arquitecturas de hardware de computación no convencionales que se adapten mejor a la fotónica que a la electrónica digital".

Para comprender plenamente el hardware que diseñó el grupo de Marandi, es importante comprender qué son los autómatas celulares y cómo funcionan. Técnicamente hablando, son modelos computacionales, pero ese término ayuda poco a ayudar a la mayoría de la gente a entenderlos. Es más útil pensar en ellas como células simuladas que siguen un conjunto de reglas muy básico (cada tipo de autómata tiene su propio conjunto de reglas). De estas simples reglas pueden surgir comportamientos increíblemente complejos. Uno de los autómatas celulares más conocidos, llamado El Juego de la Vida o El Juego de la Vida de Conway, fue desarrollado por el matemático inglés John Conway en 1970. Tiene sólo cuatro reglas que se aplican a una cuadrícula de "células" que pueden estar vivas o muerto. Esas reglas son:

Los autómatas celulares básicos o "elementales" como El juego de la vida atraen a los investigadores que trabajan en matemáticas y teoría de la informática, pero también pueden tener aplicaciones prácticas. Algunos de los autómatas celulares elementales se pueden utilizar para generación de números aleatorios, simulaciones físicas y criptografía. Otras son computacionalmente tan poderosas como las arquitecturas informáticas convencionales, al menos en principio. En cierto sentido, estos autómatas celulares orientados a tareas son similares a una colonia de hormigas en la que las acciones simples de las hormigas individuales se combinan para realizar acciones colectivas más grandes, como cavar túneles o recolectar comida y llevarla de regreso al nido. Los autómatas celulares más "avanzados", que tienen reglas más complicadas (aunque todavía basadas en celdas vecinas), se pueden utilizar para tareas informáticas prácticas, como identificar objetos en una imagen.

Una computadora que ejecuta el Juego de la Vida aplica repetidamente estas reglas al mundo en el que viven las células en un intervalo regular, considerando cada intervalo una generación. En unas pocas generaciones, esas reglas simples llevan a que las células se organicen en formas complejas con nombres evocadores como pan, colmena, sapo y nave espacial pesada.

Marandi explica: "Si bien estamos fascinados por el tipo de comportamientos complejos que podemos simular con un hardware fotónico relativamente simple, estamos realmente entusiasmados con el potencial de autómatas celulares fotónicos más avanzados para aplicaciones informáticas prácticas".

Marandi dice que los autómatas celulares se adaptan bien a la computación fotónica por un par de razones. Dado que el procesamiento de la información ocurre a un nivel extremadamente local (recuerde que en los autómatas celulares, las células interactúan sólo con sus vecinas inmediatas), eliminan la necesidad de gran parte del hardware que dificulta la computación fotónica: las diversas puertas, interruptores y dispositivos que están de lo contrario se requiere para mover y almacenar información basada en luz. Y la naturaleza de gran ancho de banda de la computación fotónica significa que los autómatas celulares pueden funcionar increíblemente rápido. En la informática tradicional, los autómatas celulares podrían diseñarse en un lenguaje informático, que se construye sobre otra capa de lenguaje "máquina" debajo de eso, que a su vez se encuentra encima de los ceros y unos binarios que componen la información digital.

Por el contrario, en el dispositivo informático fotónico de Marandi, las células del autómata celular son simplemente pulsos de luz ultracortos, que pueden permitir un funcionamiento hasta tres órdenes de magnitud más rápido que las computadoras digitales más rápidas. A medida que esos pulsos de luz interactúan entre sí en una red de hardware, pueden procesar información sobre la marcha sin verse ralentizados por todas las capas que subyacen a la informática tradicional. En esencia, las computadoras tradicionales ejecutan simulaciones digitales de autómatas celulares, pero el dispositivo de Marandi ejecuta autómatas celulares reales.

"La naturaleza ultrarrápida de las operaciones fotónicas y la posibilidad de realizar autómatas celulares fotónicos en un chip podrían conducir a computadoras de próxima generación que puedan realizar tareas importantes de manera mucho más eficiente que las computadoras electrónicas digitales", dice Marandi.

Más información: Gordon HY Li et al, Autómatas celulares elementales fotónicos para la simulación de fenómenos complejos, Luz: ciencia y aplicaciones (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01180-9