Las novedosas arquitecturas basadas en metamateriales ofrecen una plataforma prometedora para construir esquemas reprogramables y producibles en masa que realicen tareas informáticas con luz

(Physics)-La idea de una computadora analógica (un dispositivo que utiliza variables continuas en lugar de ceros y unos) puede evocar maquinaria obsoleta, desde relojes mecánicos hasta dispositivos de mira de bombas utilizados en la Segunda Guerra Mundial. Pero las tecnologías emergentes, incluida la IA, pueden obtener grandes beneficios de este enfoque informático. Una dirección prometedora son las computadoras analógicas que procesan información con luz en lugar de corrientes eléctricas. Como informó Nader Engheta, de la Universidad de Pensilvania, en la reunión de marzo de la APS de 2024 , los medios compuestos conocidos como metamateriales ofrecen una poderosa plataforma para construir computadoras ópticas analógicas. En un trabajo reciente, su equipo demostró una plataforma metamaterial que podría producirse en masa e integrarse con electrónica de silicio [ 1 ], así como un enfoque para construir arquitecturas que podrían reprogramarse en tiempo real para realizar diferentes tareas informáticas [ 2 ]. Las computadoras ópticas analógicas basadas en metamateriales algún día podrán realizar ciertas tareas mucho más rápido y con menos energía que las computadoras convencionales, dice Engheta.

Los metamateriales son materiales sintéticos que se obtienen ensamblando muchas unidades, cada una de las cuales es más pequeña que la longitud de onda de la luz para la que están diseñados. Se pueden adaptar para mostrar propiedades que no se encuentran en los materiales naturales, la más famosa es un índice de refracción negativo o cercano a cero. Estas propiedades exóticas pueden permitir aplicaciones únicas, desde imágenes por debajo de la longitud de onda hasta el encubrimiento de invisibilidad.

La flexibilidad del diseño de los metamateriales inspiró a varios grupos a explorar estrategias para convertirlos en máquinas informáticas. En 2014, Engheta y sus colaboradores presentaron un primer conjunto de propuestas . Sus simulaciones sugirieron que los metamateriales podrían realizar un conjunto de operaciones matemáticas, incluidas la diferenciación, la integración y la convolución. El enfoque implica tomar una onda electromagnética como función de entrada y manipularla mediante la interacción con el metamaterial para que la onda de salida corresponda a una transformación matemática deseada de la entrada.

Cinco años después, el grupo de Engheta realizó esta propuesta de forma experimental. Trabajando en longitudes de onda de microondas, su esquema involucraba un bloque de metamaterial con varios puertos de entrada y salida conectados por guías de ondas en un circuito de retroalimentación. Los experimentos demostraron que, para una entrada determinada, la salida del dispositivo era la solución de la llamada ecuación integral de Fredholm, que se utiliza en campos tan diversos como la mecánica de fluidos, el diseño de antenas y la teoría de perturbaciones de la mecánica cuántica. Para elegir la estructura metamaterial que permitiera realizar las matemáticas deseadas, los investigadores utilizaron el «diseño inverso», un enfoque iterativo para resolver problemas de optimización. El metamaterial resultante tenía una estructura nada trivial de “queso suizo”, con una distribución no homogénea de pequeñas islas con diferentes propiedades dieléctricas: orificios de aire, poliestireno y materiales absorbentes de microondas.

Dado que las microondas implican configuraciones voluminosas y poco prácticas, varios grupos de investigación se propusieron extender conceptos similares a las frecuencias ópticas, demostrando una variedad de esquemas informáticos. La mayoría de estas demostraciones utilizaron láminas de metamateriales delgadas por debajo de la longitud de onda, conocidas como metasuperficies, para manipular la luz que se propaga en el espacio libre y se transmite a través de la lámina. Sin embargo, los esquemas de metasuperficie requieren procesos de fabricación sofisticados y personalizados, lo que limita el potencial de producción en masa, dice Engheta.

Engheta y sus colegas han desarrollado una plataforma en chip que puede superar estas limitaciones [ 1 ]. A diferencia de los esquemas de metasuperficie con propagación de luz en el espacio libre, el diseño de metamaterial del equipo canaliza la luz a través de guías de ondas estructuradas en un chip de silicio. Los investigadores diseñaron y construyeron a la inversa un chip del tamaño de una micra con una estructura que recuerda a su diseño de microondas de 2019: un conjunto de guías de ondas que alimentan luz dentro y fuera de una cavidad plana que contiene un metamaterial similar al queso suizo. Una estructura de este tipo puede encargarse fácilmente a fundiciones comerciales, afirma Engheta. En comparación con su primo de microondas, el chip óptico realiza operaciones matemáticas más simples: multiplica un vector por una matriz, una operación útil para herramientas de inteligencia artificial como las redes neuronales. Para resolver ecuaciones, el esquema necesitará incorporar guías de ondas de retroalimentación que vinculen las salidas con las entradas, como se hizo en las microondas, un desafío de ingeniería que el equipo planea abordar en chips de próxima generación.

Paralelamente al trabajo óptico, Engheta está impulsando las capacidades matemáticas de las computadoras analógicas utilizando dispositivos de prueba de principio en frecuencias más bajas. El último resultado del grupo añadió una nueva característica importante: la reconfigurabilidad: la capacidad de un solucionador de ecuaciones de ser reprogramado para realizar diferentes operaciones matemáticas. El esquema constaba de un módulo de 5 × 5 de elementos de radiofrecuencia (45 MHz), como amplificadores y desfasadores. El dispositivo podría reconfigurarse controlando los parámetros de cada uno de los elementos. A modo de demostración, los investigadores hicieron que su máquina resolviera dos problemas diferentes: encontrar las raíces de un sistema de polinomios y realizar el diseño inverso de una metaestructura. Ambos problemas son no estacionarios, es decir, requieren una secuencia de pasos con diferentes operaciones matemáticas en cada paso.

Engheta prevé que esta característica de reconfigurabilidad podría, en última instancia, trasladarse a los chips fotónicos de silicio. Una forma de hacerlo implicaría depositar una capa estampada de un material de «cambio de fase» encima de las guías de ondas del dispositivo. Cuando se calienta, dicho material cambia su índice de refracción, lo que afecta a la propagación de la luz en las guías de ondas y, por tanto, al operador matemático que codifica dicha propagación.

El chip fotónico de silicio metamaterial programable sería una gran ayuda para la computación óptica analógica, dice Engheta, al procesar información a la velocidad de la luz con una fracción de la energía necesaria para alimentar los millones de operaciones que un procesador digital convencional necesita realizar para resolver las mismas tareas. «Aquí, la luz atraviesa un laberinto de guías de ondas y, cuando sale, se obtiene la respuesta de una sola vez», afirma. Y dado que los fotones, a diferencia de los electrones, no interactúan entre sí, se podrían llevar a cabo operaciones paralelas simultáneamente simplemente haciendo brillar luz en diferentes longitudes de onda a través del dispositivo. Es más, un dispositivo de este tipo tendría ventajas en materia de privacidad, porque no requiere pasos intermedios que almacenen información en una memoria potencialmente pirateable, afirma Engheta.

Fuente: Matteo Rini-Matteo Rini es el editor de la revista Física.

Referencias

  1. Nikkhah y otros. , “Estructuras de bajo índice de contraste de diseño inverso en una plataforma fotónica de silicio para la multiplicación de vectores-matriz”, Nat. Fotón. (2024) .

DC Tzarouchis et al. , “Máquina informática analógica programable basada en ondas: una metaestructura que diseña metaestructuras”, arXiv:2301.02850 .