En el futuro, lo más probable es que muchas computadoras se basen en circuitos electrónicos hechos de superconductores. Estos son materiales a través de los cuales puede fluir una corriente eléctrica sin pérdidas de energía, podrían ser muy prometedores para el desarrollo de supercomputadoras de alto rendimiento y computadoras cuánticas.

Investigadores de la Universidad de California Santa Bárbara, Raytheon BBN Technologies, la Universidad de Cagliari, Microsoft Research y el Instituto de Tecnología de Tokio han desarrollado recientemente un modulador magneto-óptico, un dispositivo que controla las propiedades de un haz de luz a través de un campo magnético. Este dispositivo, presentado en un artículo publicado en Nature Electronics , podría contribuir a la implementación de la electrónica y las computadoras a gran escala basadas en superconductores.

"Estamos trabajando en una nueva tecnología que puede acelerar las supercomputadoras de alto rendimiento y las computadoras cuánticas basadas en tecnología de superconductores", dijo a TechXplore Paolo Pintus, el investigador que dirigió el estudio. "Los superconductores funcionan correctamente solo a bajas temperaturas, generalmente justo por encima del cero absoluto (-273,15° Celsius). Debido a esto, los circuitos hechos de estos materiales deben mantenerse dentro de un refrigerador dedicado".

Los circuitos hechos de superconductores generalmente se conectan a su entorno externo mediante cables metálicos. Estos cables tienen una velocidad de comunicación limitada y pueden transferir calor a un circuito frío.

Una alternativa prometedora sería usar fibras ópticas, cables de vidrio delgados y flexibles que pueden transmitir señales de luz y que actualmente se usan para llevar datos de Internet a largas distancias. Estas fibras ofrecen dos ventajas principales sobre los cables metálicos:pueden transmitir 1000 veces más datos en el mismo período de tiempo sin transferir calor, ya que el vidrio es un buen aislante térmico.

"Como parte de nuestro trabajo, diseñamos y fabricamos un dispositivo (conocido como 'modulador óptico') que convierte la información transportada por una corriente eléctrica en un electroimán en luz", explicó Pintus. “Esto es gracias a un mecanismo físico llamado 'efecto magneto-óptico'. Esta luz puede viajar a través de una fibra óptica y sacar información del ambiente frío, sin alterar la funcionalidad del circuito frío".

Los moduladores ópticos, como el dispositivo creado por Pintus y sus colegas, permiten a los investigadores controlar las propiedades de los haces de luz para que puedan transferir información en forma de señales ópticas. Estos moduladores tienen numerosas aplicaciones potenciales, por ejemplo, permitir la transmisión de códigos binarios (uno y cero) a largas distancias.

El modulador magneto-óptico creado por los investigadores utiliza una corriente eléctrica para generar un campo magnético. Este campo magnético, a su vez, induce un cambio en las propiedades ópticas de un granate sintético donde la luz se propaga.

"El mecanismo que sustenta nuestro modulador es similar a un guitarrista que cambia la rigidez de las cuerdas para tocar un sonido diferente", dijo Pintus. “En nuestro caso, el campo magnético controla la densidad óptica del medio por donde viaja la luz, de modo que cuando la luz puede propagarse, obtenemos un '1', y cuando la luz se atenúa, tenemos un '0'. "

En las evaluaciones iniciales, el modulador magnetoóptico creado por Pintus y sus colegas logró resultados muy prometedores. En particular, alcanzó una velocidad de modulación relativamente rápida (unos pocos Gigabits por segundo) y podía funcionar a temperaturas tan bajas como 4 K (-269,15 ° Celsius).

"Este es el componente clave para permitir una gran tasa de transferencia de datos con eficiencia energética desde circuitos superconductores, que operan dentro de un criostato a baja temperatura y temperatura ambiente", dijo Pintus. "Normalmente, los moduladores ópticos se basan en unos pocos efectos electro-ópticos, donde un campo eléctrico cambia la propiedad óptica del material donde se propaga la luz. El efecto magneto-óptico que usamos, por otro lado, es un efecto dual , donde un campo magnético cambia la propiedad óptica de un medio".

Aunque el efecto magneto-óptico es bien conocido y ampliamente estudiado, Pintus y sus colegas fueron de los pocos que investigaron su valor potencial para crear moduladores. Esta área no se había explorado mucho antes porque la fabricación de dispositivos magneto-ópticos integrados y la aplicación de campos magnéticos variantes en el tiempo rápidos pueden ser muy desafiantes. Además, el efecto magnetoóptico tiende a asociarse con tiempos de respuesta significativamente más lentos que los efectos electroópticos.

"La nuestra es la primera prueba de concepto de un modulador de alta velocidad basado en un efecto magneto-óptico", dijo Pintus. "Con este modulador, demostramos un componente clave para permitir la comunicación efectiva entre el entorno criogénico y la electrónica a temperatura ambiente mediante fibras ópticas. En comparación con los moduladores criogénicos (electroópticos) anteriores, nuestra solución propuesta tiene una estructura muy simple y es compatible con circuitos superconductores, ya que la impedancia eléctrica de entrada es muy pequeña".

El rendimiento prometedor y la naturaleza criogénica del modulador de los investigadores lo hacen adecuado para conectar dispositivos electrónicos estándar (a temperatura ambiente) con superconductores criogénicos y arquitectura de computación cuántica. En el futuro, este estudio reciente podría allanar el camino para nuevas investigaciones centradas en materiales magneto-ópticos para la modulación óptica y en sus posibles aplicaciones informáticas.

"En nuestro trabajo, demostramos una tasa de modulación de 2 gigabits por segundo con un consumo de energía inferior a 4 picojulios por bit de información transferida, que podría reducirse 80 veces (por debajo de 50 femtojulios por bit) optimizando la proceso de fabricación en el mismo sistema de materiales", añadió Pintus. "Aunque este rendimiento es impresionante, creemos que hay mucho espacio para mejoras adicionales. En nuestros próximos trabajos, nos gustaría explorar otros materiales para lograr una mayor tasa de modulación y un menor consumo de energía. El campo del material magneto-óptico criogénico es un área inexplorada y se necesitará más investigación para reducir los materiales más prometedores". + Explora más

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