Científicos del NIST desarrollan láseres de "longitud de onda arbitraria"

• Dentro de un chip fotónico integrado, implementaron una estructura que convierte un solo color láser en diversos colores visibles e infrarrojos, y genera distintas longitudes de onda específicas solo con el diseño del circuito
• Aplicaron un método que apila en 3D niobato de litio y tantala sobre una oblea de silicio, para procesar en un solo chip tanto la conversión del color de la luz como el control eléctrico
• Los relojes cuánticos y las computadoras cuánticas requieren colores de láser específicos para cada átomo, pero el volumen, costo y consumo eléctrico de los equipos actuales son una gran limitación para su uso en campo
• Integraron en una sola oblea unos 50 chips del tamaño de una uña y un total de 10 mil circuitos fotónicos; cada circuito emite un color distinto, y en el laboratorio confirmaron el funcionamiento que convierte infrarrojo en luz visible
• Al asegurar una ruta de fabricación que podría llevar a sistemas fotónicos baratos y portátiles, se destaca el potencial de expandir su uso no solo en tecnologías cuánticas, sino también en comunicación entre chips para IA y pantallas de realidad virtual

---

Avance en circuitos fotónicos integrados

• Se implementaron chips fotónicos que, al apilar patrones complejos de materiales especiales sobre una oblea de silicio, pueden mover la luz y procesar información como lo hacen los chips electrónicos
  • Estos chips usan componentes ópticos como láseres, guías de onda, filtros y conmutadores para transportar y procesar la luz dentro del circuito
  • Podrían ayudar a tecnologías emergentes como la inteligencia artificial, las computadoras cuánticas y los relojes atómicos ópticos
• Los circuitos que usan fotones en lugar de electrones tienen propiedades distintas para transmitir y procesar información
  • Los fotones se desplazan por el circuito mucho más rápido que los electrones
  • La luz láser es un elemento esencial para controlar tecnologías cuánticas como los relojes atómicos ópticos y las computadoras cuánticas
• Uno de los principales obstáculos para la expansión de la fotónica integrada es la limitación en las longitudes de onda de los láseres
  • Los láseres de alta calidad, pequeños y eficientes solo existen en unas pocas longitudes de onda
  • Los láseres semiconductores son especialmente adecuados para generar infrarrojo de 980 nanómetros, un color justo fuera del rango de visión humana
• Los relojes atómicos ópticos y las computadoras cuánticas necesitan láseres de muchos otros colores
  • Los láseres existentes para producir esos colores son grandes, caros y consumen mucha energía, lo que en la práctica mantiene estas tecnologías cuánticas confinadas a unos pocos laboratorios de investigación especializados
• Si se integran los láseres dentro de circuitos en chip, se espera una transición hacia tecnologías cuánticas más baratas y portátiles
  • Con posibilidad de extenderse a aplicaciones reales fuera del laboratorio

Método de apilamiento multicapa

• El nuevo chip fotónico se fabricó con una estructura en capas
  • El punto de partida es una oblea de silicio estándar recubierta con silicio, dióxido de silicio (vidrio) y niobato de litio, que puede cambiar el color de la luz entrante
• Al añadir piezas metálicas, es posible controlar eléctricamente cómo el circuito convierte luz de un color en otro
  • Se creó una interfaz independiente de metal y niobato de litio para implementar la función de encender y apagar rápidamente la luz dentro del circuito
  • Esta capacidad es un elemento clave para el procesamiento de datos y el enrutamiento de alta velocidad
• En la capa superior se aplicó un segundo material no lineal, pentóxido de tantalio (tantala)
  • La tantala puede tomar como entrada un solo color láser y convertirlo en todo el arcoíris visible y en un amplio rango de longitudes de onda infrarrojas
  • Durante años desarrollaron una técnica para fabricar circuitos con este material sin calentarlo, de modo que puede depositarse sobre otros materiales sin dañarlos
• Al patronar distintos materiales con apilamiento 3D, fabricaron un solo chip que enruta la luz eficientemente entre capas
  • Combina la capacidad de conversión de luz de la tantala con la capacidad de control del niobato de litio
  • Una fortaleza clave es que la tantala puede añadirse a circuitos ya existentes
• En una sola oblea integraron alrededor de 50 chips del tamaño de una uña y un total de 10 mil circuitos fotónicos
  • Cada circuito emite un color específico diferente
  • Es posible generar diversos colores solo con el diseño del circuito

Demanda de láseres ajustados por longitud de onda

• Los relojes cuánticos y las computadoras cuánticas suelen usar arreglos de átomos para almacenar y procesar información
  • Cada tipo de átomo requiere un láser que coincida con sus niveles internos de energía cuántica
• Los átomos de rubidio responden a una luz roja de 780 nanómetros
  • Es un ejemplo de átomo comúnmente usado en computación cuántica y relojes
• Los átomos de estroncio responden a una luz azul de 461 nanómetros
  • Si se ilumina con otro color, no ocurre ninguna reacción
• El volumen, costo y complejidad de los láseres existentes para producir estos colores a la medida son obstáculos clave para desplegar computadoras cuánticas y relojes ópticos en campo
  • Son una gran limitación para trasladarlos fuera del laboratorio a entornos reales

Posibles aplicaciones

• Los relojes ópticos baratos, de bajo consumo y portátiles podrían tener usos potenciales en muchos campos
  • Posibilidad de apoyar la predicción de erupciones volcánicas y terremotos
  • Posible alternativa al GPS para posicionamiento y navegación
  • Podrían ayudar a explorar misterios científicos como la naturaleza de la materia oscura
• Las computadoras cuánticas podrían ofrecer nuevos enfoques para estudiar la física y la química de medicamentos y materiales
• El uso de circuitos fotónicos integrados no se limita a la tecnología cuántica
  • Podrían ayudar a transmitir señales eficientemente entre chips especializados usados por empresas tecnológicas
  • Podrían contribuir a que las herramientas basadas en IA sean más potentes y eficientes
• Las empresas tecnológicas también están interesadas en usar fotónica para mejorar las pantallas de realidad virtual

Ruta hacia la comercialización

• El chip actual todavía no está listo para producción masiva
  • Aun así, la técnica de fabricación en sí ofrece una ruta a futuro
• Están colaborando con Octave Photonics para ampliar la tecnología
  • Startup con sede en Louisville, Colorado
  • Fue fundada por exinvestigadores del NIST y trabaja en escalar la tecnología

Rasgos visuales y experimentales

• Dentro de un pequeño chip rectangular del tamaño de una uña, integraron múltiples circuitos que cambian el color de la luz láser
  • En la foto se muestra uno de los circuitos que convierte infrarrojo, invisible a simple vista, en luz azul visible
  • Se usó una moneda de dime para comparar el tamaño
• El chip basado en óptica no lineal puede incluir láseres de decenas de colores
• En el laboratorio confirmaron que el chip recibe luz invisible y genera múltiples luces visibles
  • Una escena que muestra de forma intuitiva la posibilidad de diversas aplicaciones dentro de un solo chip integrado

[GN⁺]

Comentarios de Hacker News

• En vez de hablar solo de magenta o marrón, se pueden ver colores ilusorios ahora mismo incluso sin láseres. Si sigues este artículo, terminas teniendo una experiencia de ver algo como un hiper turquesa

  • La idea misma de la frecuencia del color y la luz me parece realmente fascinante. Al final, la luz no es más que una señal física, pero la experiencia subjetiva del color que percibimos es mucho más rica. Es especialmente interesante que el rojo que yo veo y el rojo que otra persona siente podrían ser en realidad distintos, pero ambos lo llamamos rojo y lo asociamos con cosas como fuego, amor, calor y peligro
  • Para mí, cualquier día en que aprendo algo nuevo sobre el color es un buen día. Mi dato curioso sobre colores favorito es que no existe una luz monocromática rosa. El rosa solo puede hacerse mezclando los extremos del espectro visible, es decir, tonos rojizos y violáceos, así que estrictamente hablando no hay rosa en el arcoíris
  • Tengo migraña ocular/retiniana, así que quisiera advertir de antemano que este experimento visual del artículo podría no ser bueno para personas así
  • Yo lo probé porque el artículo decía “solo sigue mirando el punto, toma 1 minuto”, pero sinceramente sentí que solo perdí el tiempo
  • Sentí que esto explicaba un poco el tipo de fenómeno que se ve cuando haces un viaje con acid

• Creo que la explicación del artículo de que “los fotones atraviesan los circuitos mucho más rápido que los electrones” puede ser un poco engañosa. Los electrones en sí no se mueven a la velocidad de la luz, pero la transmisión de información eléctrica ya ocurre cerca de la velocidad de la luz. Por eso, creo que el punto de mejora en rendimiento computacional probablemente esté más del lado del ancho de banda que de la latencia

  • Según entiendo, en los circuitos eléctricos la información se transmite por medio del campo eléctrico más que porque una masa de electrones salga corriendo directamente, y esa velocidad de propagación está cerca de la velocidad de la luz
  • Según lo que yo sé, el cable Cat6 anda más o menos por 0.6c, y según el tipo de cable puede ser un poco más rápido. La fibra óptica también, por el índice de refracción del núcleo, tiene una velocidad de la luz de alrededor de 0.6c

• Me gustaría que alguien explicara de forma sencilla si esto de la computación fotónica realmente tiene sustancia

  • A mí se me ocurren ventajas inmediatas. En comunicaciones ópticas se pueden meter muchos colores de luz en una sola fibra, y cada color puede llevar modulación de decenas de GHz, así que todavía queda muchísimo ancho de banda sin usar. Además, si se ajusta con precisión la longitud de onda del láser, quizá también se pueda hacer química molecular adaptada a energías de enlace específicas, y parece posible que el corte y la soldadura por láser evolucionen hacia elegir longitudes de onda más eficientes
  • Creo que la clave es que ahora se tiene una forma de fabricar dispositivos que generan la frecuencia óptica deseada. Hasta ahora, los láseres lo bastante baratos, pequeños y eficientes como para ir sobre un chip solo eran viables en ciertas longitudes de onda, así que eso reduce esa limitación. La redacción del artículo exagera un poco, pero el paper sí incluye cifras de eficiencia; por ejemplo, mete 35 mW a 485 nm y obtiene una salida de 6 mW. En particular, parece posible usar más frecuencias en comunicaciones ópticas multimodo para aumentar el ancho de banda o hacer dispositivos más pequeños, baratos y eficientes
  • Veo esto de forma parecida a la investigación básica en general. Antes de que se use para resolver problemas reales, es casi imposible predecir cuánto valor tendrá. Incluso matemáticas muy abstractas terminan convirtiéndose después en industrias enormes. Aun así, está claro que el control de la longitud de onda de los láseres es clave en la tecnología moderna de comunicaciones, así que no creo que esta tecnología vaya a terminar siendo inútil
  • Creo que esto podría ser incluso más directo para la computación cuántica. En trampas de iones, qué ion puedes elegir termina estando ligado a qué longitudes de onda puedes generar de forma estable, y ahora mismo la elección se inclina hacia longitudes de onda manejables con láseres de telecom modificados. Si se pudiera ajustar la longitud de onda del láser con este nivel de libertad, esa limitación podría desaparecer y quizá permitir escoger iones con otras propiedades
  • No soy experto en este campo, pero siento que hay varias condiciones clave. Primero, debe ser posible generar longitudes de onda arbitrarias; luego, hay que poder medir esas longitudes de onda con precisión; y además parecen hacer falta cosas como compuertas holográficas que funcionen sin ser sensibles a la frecuencia. Si todo eso se consigue, la capacidad de cómputo probablemente terminará determinada por la habilidad de distinguir diferentes longitudes de onda. En teoría eso podría incluso llevar a un punto en que se haya hecho mucho más cómputo del que se puede detectar, lo que termina abriendo preguntas bastante filosóficas

• Si el costo final resulta razonable, creo que esto sin duda sería una buena noticia para la computación cuántica con trampas de iones. Las longitudes de onda de láser necesarias para atrapar iones cambian según la molécula o especie elegida, y los equipos actuales son caros, delicados y difíciles de calibrar; además, usar láseres de colorante puede ser bastante engorroso

  • Creo que esto también aplica al campo de los átomos neutros. Para bombear átomos a un estado de Rydberg se necesita luz bastante limpia

• Me emocionaría muchísimo que en el futuro aparezcan nuevas pantallas que no estén atrapadas en el triángulo de gama de color de los primarios RGB, sino donde los propios colores primarios cambien dinámicamente para mostrar casi cualquier color

  • Yo solo quiero todos los colores. Si es posible, me encantaría que entregaran la distribución espectral completa como tal
  • La idea me parece genial, pero entonces me da curiosidad cómo se codificarían los datos de imagen

• Quería compartir que el paper original está aquí

• Siento que el título es un poco engañoso. Esto parece más bien una historia sobre hacer una especie de cálculo usando varios efectos ópticos no lineales respecto a la frecuencia de entrada del láser en óptica integrada, más que una computadora verdaderamente de propósito general

  • Yo no lo veo necesariamente así. Lo que mostraron en el experimento es básicamente una fuente supercontinua que se acerca bastante a cubrir “casi cualquier longitud de onda”, y el simple hecho de haberlo implementado en un chip integrado ya me parece bastante impresionante

• Pensando en que a los electrones les tomó 60 años pasar del chip a los dispositivos inteligentes, siento que, si los fotones siguen una ruta parecida, entonces apenas estamos dando la señal de salida. En particular, me parece fascinante que el tantala pueda tomar un solo color de láser y expandirlo a casi todo el arcoíris

• Esto me hizo recordar que la Marina de EE. UU. lleva mucho tiempo investigando el free electron laser como una especie de santo grial. Se puede ver un ejemplo relacionado en el comunicado de Boeing

• Cuando escucho hablar de un “láser de verdad de cualquier longitud de onda”, inevitablemente también pienso en cosas como un láser de rayos gamma. En la práctica no es nada fácil, pero se siente como una de esas cosas que sería buenísimo tener

  • Gracias a esto me quedó resuelta la duda de si de verdad se le llama graser. Al mismo tiempo, por mi lado lector de ciencia ficción, una pequeña parte de mí esperaba que ese término quedara algún día reservado para algo como un oscilador de ondas gravitacionales