Hace casi ochenta años, la ENIAC marcó el comienzo de la era electrónica. Hoy en día, nuestros ordenadores aún se basan en el mismo principio: electrones en movimiento. Sin embargo, esta tecnología está alcanzando sus límites, especialmente para la inteligencia artificial.
Investigadores de la Universidad de Pensilvania proponen entonces una alternativa: cuasipartículas que mezclan luz y materia, capaces de realizar cálculos sin electrones. Estas partículas, denominadas excitones-polaritones, podrían reemplazar a los electrones en ciertas tareas, ofreciendo rapidez y bajo consumo de energía.
La luz interactúa con un material de espesor atómico, creando excitones-polaritones.
Crédito: Zhi Wang
Los electrones poseen una carga eléctrica, lo que genera calor y resistencia cuando se mueven dentro de los chips. Cuanto más grandes se vuelven los sistemas de IA, más se agravan estos problemas. La disipación térmica se convierte en un problema importante, y la energía desperdiciada frena el rendimiento. Los investigadores buscan alternativas para evitar estos cuellos de botella térmicos y energéticos.
Los fotones, partículas de luz, parecen ideales: no tienen carga y se desplazan rápido sin pérdida. Pero interactúan muy poco con su entorno, lo que los hace inadecuados para las operaciones de conmutación lógica, esenciales en informática. Como explica Li He, antiguo investigador del Zhen Lab, los fotones destacan para transportar información a largas distancias, pero su neutralidad les impide realizar el tipo de decisiones binarias que los ordenadores exigen.
Los excitones-polaritones son cuasipartículas formadas al acoplar fotones con electrones en un semiconductor ultrafino. Esta unión da lugar a un objeto híbrido que combina la velocidad de la luz y la capacidad de interacción de la materia. Los investigadores han logrado crear estas partículas en una nanocavidad, abriendo el camino a operaciones lógicas totalmente ópticas sin recurrir a electrones.
Para la IA, este avance es importante. Los chips fotónicos actuales utilizan luz, pero deben convertir las señales en electricidad para los pasos no lineales, como las decisiones. Estas conversiones repetidas ralentizan y consumen energía. Con los excitones-polaritones, es posible realizar estas operaciones directamente con la luz, eliminando los costosos intercambios entre fotones y electrones.
El equipo ha demostrado una conmutación totalmente óptica utilizando solo 4 cuadrillonésimas de julio, una cantidad de energía ínfima. Esto abre la puerta a chips mucho más eficientes. Si la tecnología escala, podría permitir procesar la luz directamente sin conversiones constantes, reduciendo drásticamente el consumo energético de los sistemas de IA.
A largo plazo, estos chips fotónicos podrían reducir considerablemente la demanda energética de los grandes modelos de IA. Incluso podrían soportar funciones básicas de computación cuántica. Los investigadores, dirigidos por Bo Zhen, continúan explorando las posibilidades, pero el potencial es inmenso. Sus resultados han sido publicados en
Physical Review Letters.
¿Qué es un excitón-polaritón?
Un excitón-polaritón es una cuasipartícula híbrida que nace del acoplamiento entre un fotón y un excitón (un par electrón-hueco) en un semiconductor. Esta mezcla le otorga a la partícula propiedades únicas: se comporta tanto como una onda luminosa, por lo tanto muy rápida, como una partícula material capaz de interactuar.
Estas cuasipartículas se forman generalmente en cavidades ópticas de tamaño nanométrico, donde la luz está confinada. La elección de un semiconductor de espesor atómico, como el disulfuro de molibdeno, permite un control fino de las propiedades mediante un voltaje eléctrico.
El interés para la informática es inmenso: los excitones-polaritones permiten realizar operaciones lógicas a la velocidad de la luz. Así podrían reemplazar a los electrones en ciertas funciones clave de los procesadores.
Fuente: Physical Review Letters