Liberando el poder de la computación fotónica con ‘vida’ artificial

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

Y hasta ahora, esta táctica ha funcionado. Las computadoras nunca han sido más poderosas de lo que son ahora. Pero hay límites: los transistores de silicio tradicionales solo pueden volverse tan pequeños debido a las dificultades en la fabricación de dispositivos que, en algunos casos, tienen solo 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 usa luz en lugar de electricidad, similar a cómo los cables de fibra óptica han reemplazado a los cables de cobre en las redes informáticas. Una nueva investigación de Alireza Marandi de Caltech, profesora asistente de ingeniería eléctrica y física aplicada, utiliza hardware óptico para realizar autómatas celulares, un tipo de modelo de computadora que consiste en un «mundo» (un área cuadriculada) que contiene «células» (cada cuadrado de la cuadrícula ) que pueden vivir, morir, reproducirse y evolucionar hacia criaturas multicelulares con sus propios comportamientos únicos. Estos autómatas se han utilizado para realizar tareas informáticas y, según Marandi, son ideales para las 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. Luz: ciencia y aplicaciones.

«Si compara una fibra óptica con un cable de cobre, puede transferir información mucho más rápido con una fibra óptica», dice Marandi. «La gran pregunta es si 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 ajusten mejor a la fotónica que a la electrónica digital».

Autómata celular

Para comprender completamente 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 hace poco para ayudar a la mayoría de las personas a entenderlos. Es más útil pensar en ellos como células simuladas que siguen un conjunto de reglas muy básico (cada tipo de autómata tiene su propio conjunto de reglas). De estas sencillas reglas pueden surgir comportamientos increíblemente complejos. Uno de los autómatas celulares más conocidos, llamado The Game of Life o Conway’s Game of Life, fue desarrollado por el matemático inglés John Conway en 1970. Tiene solo cuatro reglas que se aplican a una cuadrícula de «células» que pueden estar vivas o muerto. Esas reglas son:

1. Cualquier celda viva con menos de dos vecinas vivas muere, como por falta de población.
2. Cualquier celda viva con más de tres vecinos vivos muere, como por hacinamiento.
3. Cualquier celda viva con dos o tres vecinos vivos vive hasta la próxima generación.
4. Cualquier celda muerta con exactamente tres vecinos vivos cobrará vida, como por reproducción.

Los autómatas celulares básicos o «elementales», como El juego de la vida, atraen a los investigadores que trabajan en matemáticas y teoría informática, pero también pueden tener aplicaciones prácticas. Algunos de los autómatas celulares elementales se pueden utilizar para la 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 aún se basan en celdas vecinas), se pueden usar 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 las células viven en un intervalo regular, y cada intervalo se considera 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 los autómatas celulares fotónicos más avanzados para aplicaciones informáticas prácticas».

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Ideal para computación fotónica

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 solo con sus vecinos inmediatos), eliminan la necesidad de gran parte del hardware que dificulta la computación fotónica: las diversas puertas, interruptores y dispositivos que son de lo contrario se requiere para mover y almacenar información basada en la luz. Y la naturaleza de alto ancho de banda de la computación fotónica significa que los autómatas celulares pueden funcionar increíblemente rápido. En la informática tradicional, los autómatas celulares pueden diseñarse en un lenguaje informático, que se basa en otra capa de lenguaje de «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 de computación fotónica de Marandi, las células del autómata celular son solo pulsos de luz ultracortos, que pueden permitir una operación hasta tres órdenes de magnitud más rápida 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 realización en chip de autómatas celulares fotónicos podrían conducir a computadoras de próxima generación que pueden realizar tareas importantes de manera mucho más eficiente que las computadoras electrónicas digitales», dice Marandi.