Cerebros artificiales llenos de luciérnagas ultrarrápidas

Uno de los resultados más conocidos y fascinantes de la física es la naturaleza dual de la luz, que puede presentarse en forma de onda o de partícula, según se mire. La óptica es la ciencia que estudia la luz y, dentro de ella, la fotónica es la rama que estudia la luz cuando se presenta en la forma de esas partículas que postuló Albert Einstein al estudiar el efecto fotoeléctrico: los fotones, los cuantos de luz. Dentro de la fotónica se producen, se controlan, se detectan fotones y se estudia su interacción con la materia. “Al interaccionar con la materia, por ejemplo, al arrancar electrones de un átomo, es uno de los momentos en los que mejor se puede observar la naturaleza fotónica de la luz”, dice Javier Aizpurua, investigador del CSIC y líder del grupo de teoría de la nanofótonica en el Centro de Física de Materiales de San Sebastián.

Dentro de la práctica de la fotónica es común encontrar láseres por todas partes, que se utilizan como fuente de fotones, una luz coherente que concentra mucha potencia en muy poco espacio. “El láser, junto con la fibra óptica, son desarrollos de la segunda mitad del siglo XX que han sido fundamentales para el avance de la fotónica”, explica Aizpurua. La fibra óptica, que puede tener un grosor menor que el de un cabello y a través de la cual se transmite la mayor parte de la información del planeta, permite conducir señales fotónicas, luz que contiene información, a través de largas distancias con poca atenuación: la luz se va reflejando por dentro sin abandonar nunca la fibra. Que la velocidad de la luz sea la mayor posible en el Universo incide en la rapidez que proporcionan las tecnologías fotónicas.

Las aplicaciones de la fotónica, que es uno de los motores principales de la innovación tecnológica, son muy variadas: desde el desarrollo de la computación fotónica (donde los fotones reemplazan a los electrones) hasta las aplicaciones biomédicas o militares, pasando por telecomunicaciones, inteligencia artificial (IA) o síntesis química. En el CSIC hay en torno a 15 grupos de investigación, diseminados por todo el territorio, que investigan en este campo de forma muy especializada. Se avanza en diferentes líneas: desde los materiales que permiten la interfaz entre información óptica y electrónica hasta las maneras de conseguir circuitos integrados fotónicos, pasando por las redes ópticas con aplicaciones en detección, comunicación o procesamiento de información.

Juan Diego Ania, investigador y director del Instituto de Óptica Daza de Valdés. / César Hernández 

Por ejemplo, dentro de la disciplina de la IA, la fotónica propone sustituir los electrones por fotones dentro de las redes neuronales que tratan de imitar el funcionamiento del cerebro (tanto para llegar a desarrollar más inteligencia como para conocer mejor su funcionamiento íntimo). “Los electrones tienen algunos inconvenientes: consumen y disipan energía, e interaccionan entre ellos; los fotones son mucho más rápidos, gastan menos y no interaccionan”, explica Cefe López, investigador del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC), donde utilizan láseres aleatorios (en los que no se puede predecir qué frecuencias incluirán) para desarrollar redes neuronales. Estas redes, que no utilizan los transistores de silicio habituales, pueden simular la no linealidad de las neuronas, es decir, el hecho de que solo disparan un impulso cuando el input que reciben llega a cierto valor, y que es fundamental en el funcionamiento cerebral. La arquitectura óptica desarrollada en el ICMM presenta baja complejidad y menor coste, con lo cual es una buena candidata para desarrollos posteriores en el campo de la IA. Si un cerebro humano está plagado de impulsos eléctricos, estas redes neuronales funcionan a base de pulsos de luz. Algo así como cerebros artificiales llenos de luciérnagas rapidísimas.

La investigación en redes neuronales está en boga porque estas redes (que pueden ser físicas o virtuales, software o hardware) son importantes en el machine learning (aprendizaje automático) y persiguen afilar capacidades como el reconocimiento de patrones, la predicción de series temporales o la toma de decisiones, tradicionalmente reservadas a los cerebros y no a las máquinas.

Otros avances fotónicos en este campo tienen que ver con la simulación mediante fibra óptica de los árboles dendríticos (las dendritas son las terminales neuronales que conectan estas células entre sí y cuya función es recibir los impulsos de las demás), que se realiza en el proyecto Adopd, en el Instituto de Física Interdisciplinar y Sistemas Complejos (IFISC), por parte de los investigadores Ingo Fischer y Claudio Mirasso. A través de esta tecnología se puede conseguir una computación muy rápida con un muy bajo consumo de energía.

También Fischer y Mirasso se embarcan en otro proyecto, Post-Digital, relacionado con la computación neuromórfica (esta que trata de emular el funcionamiento del cerebro), que busca formar a un grupo de 15 investigadores e investigadoras en este campo que consideran fundamental para la competitividad europea en el escenario de la Tecnologías de la Información y la Comunicación (TIC).

El investigador del CSIC Javier Aizpurua lidera el grupo de teoría de la nanofótonica en el Centro de Física de Materiales de San Sebastián. / César Hernández 

El estudio de los propios láseres, que no son solo herramientas para otros menesteres, también es objeto de la fotónica. Por ejemplo, el desarrollo de los láseres ultralargos, que miden muchos kilómetros y tienen otras propiedades. “Un láser de 20 kilómetros de largo puede obtenerse de una fibra óptica de esos kilómetros enrollada en el espacio que ocupa una caja de zapatos”, ejemplifica Juan Diego Ania, investigador y director del Instituto de Óptica Daza de Valdés, donde trabajan con láseres ultralargos desde hace años. Una de las aplicaciones de estos láseres es producir flashes pulsantes ultrarrápidos, es decir, pulsos de luz en el rango de los femtosegundos (milbillonésimas de segundo). “Una ventaja de estos pulsos es que pueden concentrar una cantidad muy grande de energía en un tiempo muy corto”, explica Ania, “también que el sistema es más barato, compacto y robusto que otros”. Sus aplicaciones son variadas, por ejemplo, en las industrias donde se necesitan potencias elevadas (como el procesado de materiales) o en otras disciplinas como la metrología de precisión, la detección de la contaminación atmosférica o la medicina (en microscopía o tomografía óptica).

La nanofotónica es la disciplina que estudia la interacción de los fotones con las nanoestructuras, como el grafeno o las nanoantenas, cuyas reacciones inspiran nuevos desarrollos tecnológicos. “Dicen que cada par de décadas la física se reinventa”, dice Aizpurua, “en la nanofotónica vemos eso: cómo las cosas cuyo funcionamiento básico ya conocíamos se producen de otra manera en la nanoescala”. Se estudian nuevos procesos optoelectrónicos, por ejemplo, en el Centro de Física de Materiales, donde, entre otras cosas, han conseguido controlar el movimiento de los electrones en un circuito utilizando una luz láser, a frecuencias ópticas ultrarrápidas. Esto es importante para la computación, en cuya base está el abrir y cerrar un circuito lo más rápido posible (que es fundamentalmente, lo que hace un transistor de los que se cuentan por miles de millones en los ordenadores: son interruptores diminutos). Si el interruptor ahora se puede activar más rápidamente mediante fotones, eso podría significar un aumento notable de la velocidad de computación, aunque lograr este desarrollo todavía puede llevar su tiempo. Los fotones son rapidísimos, la investigación lleva sus ritmos.

Sergio C. Fanjul / CSIC Comunicación