Tecnologías fotónicas para el siglo XXI

15/12/2015 0 comentarios
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El Año Internacional de la Luz y de las Tecnologías basadas en la luz (IYL2015, por sus siglas en inglés) está tocando a su fin. A lo largo del mismo, hemos ido viendo cómo la luz y las tecnologías fotónicas influyen en nuestra vida cotidiana. Estas tecnologías son sólo el punto de partida hacia otras muchas que están destinadas revolucionar nuestra sociedad.

La ciencia de la luz y de sus interacciones con la materia tanto a nivel clásico como cuántico se ha destapado como toda una materia de estudio en sí misma suele ser nombrada de manera general como fotónica. Las tecnologías emergentes basadas en el estudio de la fotónica han sido destacadas por la Unión Europea como una de las 6 tecnologías clave para afrontar las necesidades de la sociedad del siglo XXI. En este post comentaremos tecnologías fotónicas que están empezándose a desarrollar hoy en día o que se han desarrollado recientemente y que están llamadas a tener un impacto importante en nuestra sociedad.

Comunicaciones ópticas

Comunicaciones ópticas en el espacio libre. Fuente: ESA.

Las comunicaciones ópticas son algo que nos resulta muy cercano, especialmente en el caso de las fibras ópticas. Aunque pueden parecernos algo con una fuerte base tecnológica, en realidad su principio de funcionamiento es muy sencillo. Lo que se hace modular la intensidad de un haz de luz –un láser normalmente– en tiempo real para enviar pulsos de luz que codifican la información –típicamente trenes de 0’s y 1’s. Esto es algo que hemos podido ver muchas veces en películas donde espías se comunican entre dos edificios distantes con un espejo en el que van reflejando la luz de manera secuencial, por ejemplo. Las comunicaciones ópticas tienen la particular ventaja de que no necesitan necesariamente un medio por el cual se propague esa información, dado que las ondas electromagnéticas pueden incluso viajar en el vacío. Esto las hace un elemento clave para la comunicación entre satélites en el espacio y las comunicaciones satélite-Tierra.

Otro ejemplo mucho más común es el que comentaba al principio: el caso de las comunicaciones por fibra óptica. En este caso, la luz se propaga con muy pocas pérdidas a través de un material en forma de hilo muy fino (del orden del grosor de un cabello) gracias al fenómeno de la reflexión total (os dejo un vídeo más abajo para que entendáis el principio de funcionamiento de una fibra óptica). En realidad, por una fibra óptica se propagan normalmente diferentes señales ópticas, cada una con una longitud de onda (color) diferente, cosa que hace que esas señales no interfieran entre sí y se pueda aumentar la cantidad de información que se puede enviar a través del mismo sistema (canal de comunicaciones).En cuanto a las ventajas de las comunicaciones ópticas, por un lado es obvio que permiten enviar información a velocidades mayores que con otros sistemas de comunicación, debido a que la información viaja a velocidades cercanas a la de la luz. Además, se pueden multiplexar (combinar) un gran número de señales con diferente longitud de onda, polarización o incluso momento angular orbital (algo de lo que hablaré en detalle en otro post), lo que incrementa enormemente la capacidad del canal de comunicaciones. 

Li-Fi

Uno de los grandes saltos que dio internet a nivel doméstico fue la implementación del Wi-Fi (que, sólo por aclarar, NO SIGNIFICA Wireless Fidelity). Ello nos ha permitido tener conectado prácticamente cualquier dispositivo actual tanto a internet como entre distintos dispositivos. No obstante, el Wi-Fi tiene el problema de que es relativamente vulnerable contra ataques cibercriminales. Desde hace menos de 10 años aproximadamente ha aparecido un rival que parece ser un buen candidato para complementar al Wi-Fi y extender el concepto de transmisión inalámbrica de datos: el Li-Fi (Light-Fidelity). El Li-Fi se basa en el mismo principio de funcionamiento que las comunicaciones ópticas comentadas anteriormente, es decir, en el envío de información a través de pulsos de luz modulados en el tiempo. Hay que darse cuenta de que, para tener un envío de información aceptable, esta modulación es tan rápida que es imposible para el ojo humano de poder detectarla. 

La gran ventaja del sistema es que la información es emitida de una manera muy direccional, dado que los haces de luz que se pueden usar son altamente direccionales en comparación con un emisor de microondas (que son el tipo de ondas que usa el Wi-Fi). Además, como la intensidad del haz decae rápidamente con la distancia de propagación y no puede atravesar obstáculos tales como paredes o cualquier objeto opaco a la luz visible, esto hace que el sistema de comunicaciones sea muy seguro de cara a posibles ciberataques. En resumidas cuentas, las comunicaciones con Li-Fi se postulan de manera casi exclusiva entre un emisor y un solo receptor, pudiendo ser el emisor la misma fuente de luz que utilizamos para iluminación. ¡Y todo esto con una velocidad máxima de transmisión de datos en un entorno de laboratorio de casi 250 Gb/s! En entornos reales, ya se han testeado sistemas Li-Fi demostrando una velocidad de datos por encima de 1 Gb/s. 

Esquema enseñando cómo podría ser aplicado el Li-Fi. Fuente: elcomercio.pe

A partir de aquí, las posibles aplicaciones parecen no tener fin. Por ejemplo, uno podría combinar una visita a un museo con el uso de una tablet, de tal manera que la iluminación cercana a cada una de las obras nos dé información sobre las correspondientes obras. O también podríamos utilizar este sistema en medios de transporte para comunicar vehículos entre sí. Y quizás aún mucho más útil sería utilizar el Li-Fi en hospitales, para prescindir de gran parte del cableado que se utiliza en muchas de las pruebas. Desde luego, ésta va a ser una tecnología a seguir bien de cerca durante los próximos años. 

Chips fotónicos para computación cuántica

A día de hoy, los ordenadores tienen una capacidad computacional muy elevada y son capaces de analizar grandes procesos a velocidades que nadie habría esperado cuando aparecieron los primeros ordenadores. Aun así, es ampliamente conocido que hay una serie de problemas que no pueden ser resueltos con algoritmos de computación que se basen en una manipulación clásica de la información. Esto, añadido a la ley de Moore que establece que en pocos años los procesadores habrán alcanzado tamaños prácticamente atómicos, hace que haya una cierta necesidad de construir ordenadores que vayan más allá de la computación clásica, es decir, ordenadores cuánticos. El concepto de computación cuántica ha estado típicamente ligado a la interacción entre átomos ultrafríos atrapados mediante campos electromagnéticos y láseres en montajes relativamente grandes (una habitación entera). Aunque ya se han demostrado de manera experimental algunas operaciones lógicas utilizando átomos atrapados, la construcción de un ordenador cuántico basado en este sistema se plantea como un reto muy complejo técnicamente y poco práctico por el momento.

Chip fotónico para implementaciones de operaciones lógicas cuánticas. Fuente: Science 349 pp. 711-716 (2015).

En cambio, recientes investigaciones han mostrado que hay una alternativa firme a estos sistemas a través de la interacción de fotones en guías de onda. Una guía de onda es como una fibra óptica pero dibujada sobre un material sólido. Mediante el uso de láseres altamente focalizados, se ha conseguido hacer diseños de guías de onda muy complejos que se dividen y se juntan para generar operaciones lógicas basadas en la mecánica cuántica cuando fotones individuales se propagan por ellas. El uso de fotones individuales tiene la ventaja de que son relativamente sencillos de generar y medir mediante la tecnología de que disponemos hoy en día. Además, la implementación de los algoritmos en chips fotónicos reduce considerablemente el tamaño del sistema y podría permitir su combinación con computadores clásicos. Los beneficios de la computación cuántica implicarían una búsqueda más rápida en grandes bases de datos, la resolución de ecuaciones complejas, la modelización y simulación de sistemas físicos y biológicos, etc. Es cierto que los chips fotónicos para computación cuántica aún no han demostrado ser capaces de atacar ninguno de esos ejemplos, pero parece que es sólo cuestión de tiempo que lo hagan.

Optogenética

Para acabar, me gustaría comentar brevemente un nuevo campo de estudio transversal entre la física y la biología conocido como optogenética. En optógenética, lo que se pretende es manipular y controlar las respuestas de sistemas biológicos utilizando la luz. El principio de funcionamiento es relativamente sencillo: primero se cambian parcialmente las propiedades de una célula, neurona, etc. con un compuesto que se Ratón con una fibra óptica conectada al cerebro para la activación de un área concreta a través de un pulso de luz ultravioleta. [Universidad Stanford]adhiere a ellas (podría ser el caso de ingerir una pastilla, por ejemplo). Estos compuestos son sensibles a la luz, en concreto a ciertos colores, de tal manera que cuando interaccionan con ella pasan a activar/desactivar la célula en cuestión. La clave de la técnica es la capacidad de manipular la sucesión de ciertos eventos en un lapso de tiempo concreto. Esto puede ser clave para entender mejor el párkinson, donde ya se ha visto que hay diferencias del orden de milisegundos en la respuesta cerebral entre personas con y sin la enfermedad. A día de hoy, esta técnica nacida en 2005 se ha aplicado para controlar la ansiedad en ratones, así como para activar el movimiento de esperma bajo un pulso de luz ultravioleta. Quizá esta no sea el paradigma de tecnología que llega a la sociedad de manera directa, pero bien seguro permitirá hacer grandes avances en el estudio de enfermedades y de las dinámicas de las conexiones neuronales, por ejemplo.

 

 

Lo que está claro es que, aunque durante este Año Internacional de la Luz está a punto de terminar, hemos aprendido que tanto la ciencia como las tecnologías basadas en la luz son de gran importancia en nuestras vidas. Sin lugar a dudas, lo mejor está por venir.