Un grupo de investigadores chinos ha presentado un prototipo de ordenador que no depende exclusivamente de la electricidad para procesar información, sino que utiliza pulsos de luz para realizar cálculos. La propuesta, que ha sido recogida recientemente por Popular Mechanics, plantea un cambio profundo en la forma en que entendemos la computación moderna. En lugar de mover electrones a través de circuitos metálicos, este sistema emplea fotones guiados por estructuras ópticas microscópicas capaces de ejecutar operaciones lógicas a velocidades extremadamente altas y con menor disipación térmica. Aunque todavía se encuentra en fase experimental, el desarrollo abre la puerta a centros de datos más eficientes y a arquitecturas híbridas donde la óptica y la electrónica convivan en el mismo chip.

De los electrones a los fotones

La informática contemporánea se basa en el flujo de electrones a través de transistores de silicio. Cada operación lógica en un procesador convencional implica el movimiento controlado de cargas eléctricas, lo que genera inevitablemente calor. En procesadores actuales con nodos de fabricación de 3 o 5 nanómetros, la densidad de transistores puede superar los 100 millones por milímetro cuadrado, lo que eleva la potencia térmica disipada por chip hasta valores de 100 o incluso 200 vatios en configuraciones de alto rendimiento. Esa energía, que se pierde en forma de calor, obliga a emplear sistemas de refrigeración complejos y costosos.

La alternativa que se está investigando consiste en sustituir parte de ese transporte electrónico por señales ópticas. Los fotones, a diferencia de los electrones, no tienen masa ni carga eléctrica, y pueden propagarse a la velocidad de la luz en el medio correspondiente. En una guía de onda de silicio, la velocidad efectiva puede rondar los 200.000 kilómetros por segundo, varias órdenes de magnitud por encima de la velocidad de deriva de los electrones en un conductor. Además, la interacción entre fotones no genera el mismo nivel de pérdidas resistivas que la corriente eléctrica.

Según recoge Popular Mechanics el equipo responsable del prototipo ha logrado implementar operaciones lógicas básicas utilizando interferencias ópticas en circuitos integrados fotónicos. Esto implica que, en lugar de representar un “1” o un “0” mediante un nivel de tensión, se emplean estados de fase o intensidad de la luz.

Cómo funciona el prototipo óptico

El núcleo del sistema se basa en circuitos fotónicos integrados fabricados en silicio, una tecnología que ya se utiliza en comunicaciones de alta velocidad. En lugar de cables metálicos, estos chips contienen guías de onda microscópicas que canalizan pulsos de luz generados por láseres externos o integrados. La modulación de estos pulsos permite codificar información binaria.

En términos técnicos, el dispositivo utiliza interferómetros de tipo Mach-Zehnder para realizar operaciones lógicas. Un interferómetro divide un haz de luz en dos trayectorias, introduce un desfase controlado y vuelve a combinarlas. Dependiendo de la diferencia de fase, la señal resultante puede reforzarse o cancelarse, lo que equivale a una operación lógica. Este principio permite implementar puertas AND, OR o XOR sin recurrir a transistores tradicionales.

Uno de los datos más llamativos es la reducción potencial del consumo energético por operación. Mientras que una operación lógica en un transistor CMOS avanzado puede situarse en el orden de los femtojulios (10^-15 julios), algunos estudios sobre computación fotónica apuntan a que se podrían alcanzar niveles inferiores si se optimiza la generación y detección de luz. Por otro lado investigaciones han demostrado que los sistemas fotónicos pueden operar a frecuencias superiores a los 100 gigahercios, muy por encima de los relojes típicos de CPU comerciales que rondan entre 3 y 5 gigahercios.

En el prototipo descrito, la arquitectura no elimina completamente la electrónica. De hecho, el sistema es híbrido: la generación de luz, la modulación y la detección siguen requiriendo componentes electrónicos. Sin embargo, el transporte de datos y ciertas operaciones matemáticas se realizan ópticamente, lo que reduce la latencia y la generación de calor en determinadas etapas del procesamiento.

El producto protagonista y su enfoque práctico

El elemento central presentado en el artículo inicial es un chip fotónico experimental diseñado para ejecutar cálculos básicos utilizando luz en lugar de corriente eléctrica. Este chip integra múltiples interferómetros y moduladores en una superficie de pocos milímetros cuadrados, lo que demuestra que la miniaturización es viable con las técnicas actuales de fabricación CMOS adaptadas a la fotónica.

En lugar de concebirse como un sustituto inmediato de las CPU convencionales, el producto se plantea como un acelerador específico para tareas intensivas en cálculo matricial, como las que se emplean en inteligencia artificial. En redes neuronales profundas, donde millones de multiplicaciones y sumas se realizan de forma repetitiva, la computación óptica puede ofrecer ventajas claras. La multiplicación de matrices puede implementarse mediante redes de interferencia que procesan múltiples señales en paralelo, explotando la naturaleza ondulatoria de la luz.

Desde el punto de vista cuantitativo, si un acelerador electrónico típico para IA puede consumir entre 250 y 400 vatios bajo carga máxima, un sistema óptico equivalente podría reducir ese consumo en un porcentaje significativo, siempre que la eficiencia de los láseres y fotodetectores sea alta. Aunque todavía no se han publicado cifras comerciales definitivas, los investigadores sugieren que el ahorro energético podría situarse en el rango del 30 al 50 % en determinadas aplicaciones.

Además, la densidad de interconexión es otro punto clave. En chips electrónicos, el ancho de banda entre núcleos está limitado por la resistencia y la capacitancia de las interconexiones metálicas. En un sistema fotónico, múltiples longitudes de onda pueden viajar simultáneamente por la misma guía de onda mediante multiplexación por división en longitud de onda, una técnica ampliamente utilizada en telecomunicaciones y descrita por el IEEE (https://spectrum.ieee.org/silicon-photonics). Esto multiplica el ancho de banda disponible sin aumentar proporcionalmente el consumo energético.

Ventajas y límites reales

El entusiasmo en torno a la computación basada en luz no debe ocultar los retos pendientes. Uno de los principales problemas es la integración completa de fuentes de luz en el propio chip. Los láseres eficientes y de tamaño microscópico siguen siendo complejos de fabricar directamente sobre silicio, aunque se están desarrollando soluciones híbridas con materiales como el arseniuro de galio.

Otro desafío es la precisión. Mientras que un transistor digital ofrece estados claramente diferenciados de 0 y 1, los sistemas ópticos pueden verse afectados por ruido, variaciones térmicas y pérdidas en las guías de onda. En aplicaciones de inteligencia artificial, donde se toleran ciertos márgenes de error, esto puede ser asumible. Sin embargo, en cálculos científicos de alta precisión o en criptografía, la estabilidad es crítica.

También hay que tener en cuenta el coste. La infraestructura industrial actual está optimizada para la fabricación masiva de chips electrónicos. Adaptar las fábricas para producir circuitos fotónicos integrados a gran escala requerirá inversiones significativas. No obstante, la industria ya ha dado pasos en esa dirección gracias al auge de los transceptores ópticos para centros de datos.

Impacto potencial en centros de datos

Los centros de datos consumen actualmente en torno al 1 % de la electricidad mundial, según estimaciones de la Agencia Internacional de la Energía. Una parte sustancial de ese consumo corresponde al procesamiento y a la refrigeración. Si una fracción de las operaciones pudiera trasladarse a sistemas ópticos más eficientes, el ahorro acumulado sería relevante.

Desde un punto de vista térmico, la reducción de disipación implica menos necesidad de sistemas de refrigeración líquida o aire forzado. En servidores de alto rendimiento, la densidad de potencia puede superar los 50 kilovatios por rack. Cualquier disminución en la generación de calor repercute directamente en el coste operativo.

Además, la latencia en comunicaciones internas podría reducirse. En arquitecturas distribuidas, la velocidad de transmisión de datos entre nodos es un factor limitante. Las interconexiones ópticas internas permitirían anchos de banda de varios terabits por segundo con menor degradación de señal, algo ya explorado en supercomputadores de última generación.

Más allá del laboratorio

Aunque el prototipo presentado todavía no está listo para el mercado, forma parte de una tendencia más amplia hacia la fotónica integrada. Empresas tecnológicas y universidades llevan años investigando en esta dirección. La clave será encontrar nichos concretos donde la computación óptica aporte una ventaja clara frente a la electrónica tradicional.

En el corto plazo, es probable que veamos sistemas híbridos en los que la electrónica siga desempeñando el papel principal, pero con módulos ópticos encargados de acelerar tareas específicas. A medio y largo plazo, si se resuelven los problemas de integración y coste, la proporción de procesamiento óptico podría aumentar.

No se trata de sustituir completamente la electricidad, sino de complementar la arquitectura actual con una capa basada en luz que permita escalar el rendimiento sin disparar el consumo energético. En un contexto donde la demanda de potencia computacional crece exponencialmente por la inteligencia artificial y el análisis de datos masivos, cualquier mejora en eficiencia resulta estratégica.

Reflexiones finales

La idea de un ordenador que funcione con luz puede sonar futurista, pero los fundamentos físicos llevan décadas estudiándose. La novedad radica en la capacidad de integrar estos principios en chips compatibles con procesos industriales existentes. Si los avances continúan al ritmo actual, la próxima década podría ver la consolidación de aceleradores fotónicos en entornos profesionales.

La transición no será inmediata ni total. La electrónica ha demostrado una capacidad de adaptación extraordinaria durante más de medio siglo. Sin embargo, el margen de mejora en términos de eficiencia energética se estrecha con cada nueva generación de transistores. En ese escenario, la luz aparece como una herramienta prometedora para mantener el crecimiento del rendimiento sin que el consumo se dispare.