¿Computadoras mil veces más potentes que ahora? Sí, si funcionan con materiales cuánticos y láseres

La mayoría de los expertos considera que el próximo avance que permita una computación 1 ,000 veces más rápida probablemente no vendrá de las fábricas de microprocesadores, sino de laboratorios de física que exploran la materia a escala atómica.

Un reciente estudio de la Universidad de Northeastern, publicado en Nature Physics, describe una forma de hacer que un metal excéntrico funcione como conductor y aislante eléctrico, según convenga, a temperaturas cercanas a la ambiental, usando solo un pulso láser. Según los investigadores, esto podría complementar o incluso reemplazar la electrónica basada en silicio, incrementando la velocidad de los procesadores en un factor de 1 ,000.

“Los procesadores funcionan en gigahercios en este momento. La velocidad de cambio que esto permite podría hacer que operen en terahercios”, dijo Alberto de la Torre, autor principal del estudio.

¿Un nuevo paradigma para los chips?

Toda la lógica digital que sustenta la mayoría de los dispositivos actuales se basa en dos estados fundamentales: encendido y apagado. Tradicionalmente, un chip combina materiales conductores para transportar corriente y materiales aislantes para controlarla. El silicio, como semiconductor, puede desempeñar ambas funciones: al ser controlado por un transistor, permite o bloquea el paso de electrones, funcionando como una especie de válvula electrónica.

Este paradigma de la computación basada en silicio ha funcionado muy bien, pero ahora se enfrenta a una barrera física derivada de la miniaturización de los chips. Entre más delgado sea el grosor de la lámina de silicio (o, en otras palabras, entre más se acerque el chip al nanómetro), menos se retiene el paso de los electrones. A ello se le conoce como efecto túnel. El milagroso silicio pierde poderes de semiconductor porque hay electrones colándose, aumentando temperatura y perjudicando la velocidad de procesamiento de las computadoras.

Por eso, muchos científicos creen que, para seguir miniaturizando la computación sin sacrificar eficiencia, será necesario encontrar nuevos materiales y métodos de control capaces de operar con mayor precisión en estas escalas atómicas.

Materiales que se programan con luz

Los científicos de la Universidad de Northeastern descubrieron cómo reconfigurar al instante la conductividad eléctrica de un material cuántico mediante pulsos de láser ultrarrápido, sin necesidad de aplicar corriente eléctrica directa. Una vez inducido el cambio, el nuevo estado del material permanece estable durante meses.

Los expertos trabajaron sobre 1T-TaS2, un compuesto de tantalio y azufre que pertenece a la categoría de aislantes de Mott. Este tipo de materiales ha sido ampliamente investigado porque, aunque por su estructura electrónica deberían comportarse como metales, en ciertas condiciones, como a baja temperatura, se vuelven aislantes debido a efectos cuánticos de correlación electrónica.

El artículo explica que, al aplicar un pulso de luz controlado, lograron un cambio rápido y estable en el estado electrónico del material, en lo que describen como una forma de “quenching” inducido por luz. Esto permitió controlar su conductividad a temperatura ambiente, algo que antes solo era posible en condiciones criogénicas. Según los investigadores, fue como reprogramar el hardware a nivel atómico.

Controlar la conductividad con luz abre la puerta a nuevos avances en la forma de imaginar la computación del futuro. Los transistores de silicio cambian en nano o picosegundos, mientras que los aislantes de Mott lo hacen en femtosegundos (una milésima de un picosegundo). Por ello, los investigadores afirman que, si avanza este enfoque, las computadoras terminarían siendo 1,000 veces más potentes o eficaces.

“Todos los que alguna vez han usado una computadora se encuentran con un punto en el que desean que algo se cargue más rápido. No hay nada más rápido que la luz, y estamos usando la luz para controlar las propiedades de los materiales esencialmente a la velocidad más rápida posible que permite la física”, dijo Gregory Fiete, coautor del estudio.