O futuro digital pode depender de interruptores ópticos um milhão de vezes mais rápido que os transistores atuais

Se você já desejou ter um telefone, um computador ou uma conexão à Internet mais rápida, você encontrou a experiência pessoal de atingir o limite da tecnologia. Mas pode haver ajuda a caminho.

Nas últimas décadas, cientistas e engenheiros como eu trabalharam para desenvolver transistores mais rápidos, os componentes eletrônicos subjacentes às modernas tecnologias de comunicação eletrônica e digital. Esses esforços foram baseados em uma categoria de materiais chamados semicondutores, que possuem propriedades elétricas especiais. O silício é talvez o exemplo mais conhecido deste tipo de material.

Mas há cerca de uma década, os esforços científicos atingiram o limite de velocidade dos transistores baseados em semicondutores. Os pesquisadores simplesmente não conseguem fazer os elétrons se moverem mais rápido através desses materiais. Uma maneira pela qual os engenheiros estão tentando lidar com os limites de velocidade inerentes à movimentação de uma corrente através do silício é projetar circuitos físicos mais curtos – essencialmente dando aos elétrons menos distância para percorrer. Aumentar o poder de computação de um chip se resume a aumentar o número de transistores. No entanto, mesmo que os pesquisadores consigam fazer com que os transistores sejam muito pequenos, eles não serão rápidos o suficiente para as velocidades mais rápidas de processamento e transferência de dados que as pessoas e as empresas precisarão.

O trabalho do meu grupo de pesquisa visa desenvolver formas mais rápidas de movimentação de dados, utilizando pulsos de laser ultrarrápidos no espaço livre e fibra óptica. A luz do laser viaja pela fibra óptica quase sem perdas e com um nível de ruído muito baixo.

Em nosso estudo mais recente, publicado em fevereiro de 2023 na Science Advances, demos um passo nessa direção, demonstrando que é possível usar sistemas baseados em laser equipados com transistores ópticos, que dependem de fótons em vez de voltagem para mover elétrons e para transferir informações muito mais rapidamente do que os sistemas atuais - e fazem isso de forma mais eficaz do que os switches ópticos relatados anteriormente.

No seu nível mais fundamental, as transmissões digitais envolvem um sinal ligado e desligado para representar uns e zeros. Os transistores eletrônicos usam voltagem para enviar este sinal: quando a voltagem induz os elétrons a fluir através do sistema, eles sinalizam 1; quando não há elétrons fluindo, isso sinaliza 0. Isso requer uma fonte para emitir os elétrons e um receptor para detectá-los.

Nosso sistema de transmissão óptica ultrarrápida de dados é baseado em luz e não em tensão. Nosso grupo de pesquisa é um dos muitos que trabalham com comunicação óptica no nível do transistor – os blocos de construção dos processadores modernos – para contornar as limitações atuais do silício.

Nosso sistema controla a luz refletida para transmitir informações. Quando a luz incide sobre um pedaço de vidro, a maior parte dela passa, embora um pouco possa refletir. Isso é o que você experimenta como brilho quando dirige em direção à luz do sol ou olha através de uma janela.

Usamos dois feixes de laser transmitidos de duas fontes que passam pelo mesmo pedaço de vidro. Um feixe é constante, mas sua transmissão através do vidro é controlada pelo segundo feixe. Ao usar o segundo feixe para mudar as propriedades do vidro de transparente para reflexivo, podemos iniciar e parar a transmissão do feixe constante, ligando e desligando o sinal óptico e vice-versa muito rapidamente.

Com este método, podemos mudar as propriedades do vidro muito mais rapidamente do que os sistemas atuais podem enviar elétrons. Assim, podemos enviar muito mais sinais de ativação e desativação – zeros e uns – em menos tempo.

Nosso estudo deu o primeiro passo para transmitir dados 1 milhão de vezes mais rápido do que se tivéssemos usado a eletrônica típica. Com os elétrons, a velocidade máxima de transmissão de dados é de um nanossegundo, um bilionésimo de segundo, o que é muito rápido. Mas o switch óptico que construímos foi capaz de transmitir dados um milhão de vezes mais rápido, o que levou apenas algumas centenas de attosegundos.

Também conseguimos transmitir esses sinais com segurança para que um invasor que tentasse interceptar ou modificar as mensagens falhasse ou fosse detectado.

Usar um feixe de laser para transportar um sinal e ajustar a intensidade do sinal com um vidro controlado por outro feixe de laser significa que a informação pode viajar não apenas mais rapidamente, mas também por distâncias muito maiores.