Muchas tecnologías de última generación funcionan a temperaturas increíblemente bajas. Los microprocesadores superconductores y las computadoras cuánticas prometen revolucionar la computación, pero los científicos deben mantenerlos justo por encima del cero absoluto (-459,67 ° Fahrenheit) para proteger sus delicados estados. Aun así, los componentes ultrafríos tienen que interactuar con los sistemas de temperatura ambiente, lo que representa tanto un desafío como una oportunidad para los ingenieros.
Un equipo internacional de científicos, dirigido por Paolo Pintus de UC Santa Barbara, ha diseñado un dispositivo para ayudar a las computadoras criogénicas a hablar con sus contrapartes de buen tiempo. El mecanismo utiliza un campo magnético para convertir datos de corriente eléctrica en pulsos de luz. Luego, la luz puede viajar a través de cables de fibra óptica, que pueden transmitir más información que los cables eléctricos normales y, al mismo tiempo, minimizar el calor que se filtra al sistema criogénico. Los resultados del equipo aparecen en el diario. Naturaleza Electrónica.
«Un dispositivo como este podría permitir una integración perfecta con tecnologías de vanguardia basadas en superconductores, por ejemplo», dijo Pintus, científico del proyecto en el Grupo de Investigación de Optoelectrónica de UC Santa Barbara. Los superconductores pueden transportar corriente eléctrica sin pérdida de energía, pero generalmente requieren temperaturas por debajo de -450 ° Fahrenheit para funcionar correctamente.
En este momento, los sistemas criogénicos usan cables metálicos estándar para conectarse con dispositivos electrónicos a temperatura ambiente. Desafortunadamente, estos cables transfieren calor a los circuitos fríos y solo pueden transmitir una pequeña cantidad de datos a la vez.
Pintus y sus colaboradores querían abordar ambos problemas a la vez. «La solución es usar luz en una fibra óptica para transferir información en lugar de usar electrones en un cable de metal», dijo.
La fibra óptica es estándar en las telecomunicaciones modernas. Estos delgados cables de vidrio transportan información en forma de pulsos de luz mucho más rápido que los cables metálicos pueden transportar cargas eléctricas. Como resultado, los cables de fibra óptica pueden transmitir 1000 veces más datos que los cables convencionales en el mismo lapso de tiempo. Y el vidrio es un buen aislante, lo que significa que transferirá mucho menos calor a los componentes criogénicos que un alambre de metal.
Sin embargo, el uso de fibra óptica requiere un paso adicional: convertir datos de señales eléctricas en señales ópticas mediante un modulador. Este es un proceso de rutina en condiciones ambientales, pero se vuelve un poco complicado a temperaturas criogénicas.
Pintus y sus colaboradores construyeron un dispositivo que traduce la entrada eléctrica en pulsos de luz. Una corriente eléctrica crea un campo magnético que cambia las propiedades ópticas de un granate sintético. Los científicos se refieren a esto como el «efecto magneto-óptico».
El campo magnético cambia el índice de refracción del granate, esencialmente su «densidad» a la luz. Al cambiar esta propiedad, Pintus puede ajustar la amplitud de la luz que circula en un resonador de microanillos e interactúa con el granate. Esto crea pulsos brillantes y oscuros que transportan información a través del cable de fibra óptica como el código Morse en un cable de telégrafo.
«Este es el primer modulador de alta velocidad jamás fabricado utilizando el efecto magneto-óptico», comentó Pintus.
Otros investigadores han creado moduladores utilizando dispositivos similares a condensadores y campos eléctricos. Sin embargo, estos moduladores generalmente tienen una alta impedancia eléctrica (resisten el flujo de corriente alterna), lo que los convierte en una mala combinación para los superconductores, que tienen una impedancia eléctrica esencialmente nula. Dado que el modulador magneto-óptico tiene baja impedancia, los científicos esperan que pueda interactuar mejor con los circuitos superconductores.
El equipo también tomó medidas para que su modulador fuera lo más práctico posible. Opera en longitudes de onda de 1.550 nanómetros, la misma longitud de onda de luz utilizada en las telecomunicaciones de Internet. Fue producido utilizando métodos estándar, lo que simplifica su fabricación.
El proyecto, financiado por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, fue un esfuerzo de colaboración. Pintus y el director del grupo John Bowers en UC Santa Barbara dirigieron el proyecto, desde la concepción, el modelado y el diseño hasta la fabricación y las pruebas. El granate sintético fue cultivado y caracterizado por un grupo de investigadores del Instituto de Tecnología de Tokio que ha colaborado con el equipo del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la UCSB en varios proyectos de investigación en el pasado.
Otro socio, el grupo de ingeniería y computación cuántica de BBN Raytheon, desarrolla los tipos de circuitos superconductores que podrían beneficiarse de la nueva tecnología. Su colaboración con UCSB es de larga data. Los científicos de BBN realizaron las pruebas a baja temperatura del dispositivo para verificar su rendimiento en un entorno informático superconductor realista.
El ancho de banda del dispositivo es de alrededor de 2 gigabits por segundo. No es mucho en comparación con los enlaces de datos a temperatura ambiente, pero Pintus dijo que es prometedor para una primera demostración. El equipo también necesita hacer que el dispositivo sea más eficiente para que sea útil en aplicaciones prácticas. Sin embargo, creen que pueden lograrlo reemplazando el granate con un material mejor. «Nos gustaría investigar otros materiales», agregó, «y creemos que podemos lograr una tasa de bits más alta. Por ejemplo, los materiales a base de europio muestran un efecto magnetoóptico 300 veces mayor que el granate».
Hay muchos materiales para elegir, pero no mucha información para ayudar a Pintus y sus colegas a tomar esa decisión. Los científicos han estudiado las propiedades magnetoópticas de solo unos pocos materiales a bajas temperaturas.
«Los resultados prometedores demostrados en este trabajo podrían allanar el camino para una nueva clase de dispositivos criogénicos energéticamente eficientes», dijo Pintus, «liderando la investigación hacia materiales magneto-ópticos (inexplorados) de alto rendimiento que pueden operar a bajas temperaturas».
