Imagina un pasillo donde el eco vuelve con retraso, y de pronto ese eco empieza a responder preguntas. Así funciona un computador de reservorio: un único nodo que recibe la señal, la retrasa y la devuelve, creando en el tiempo una red compleja de neuronas virtuales. En el nuevo trabajo, el papel de ese pasillo lo desempeña una espiral de silicio fabricada en una planta estándar. Comprime 1,76 metros de camino óptico en unos pocos milímetros cuadrados, haciendo que la luz corra en círculos y regrese después de 11,63 nanosegundos.
Antes, para lograr ese retardo se usaban bobinas de fibra óptica o búferes digitales. La fibra es voluminosa, y el búfer digital pierde la fase de la onda luminosa. La espiral de silicio conserva la fase y además cabe en un chip. Se insertó en un lazo de realimentación: el láser ilumina un modulador, la luz recorre la espiral, llega a un fotodetector, y la señal eléctrica regresa al modulador. Un único nodo no lineal se despliega en 50 neuronas virtuales mediante multiplexación temporal con un paso de 20,48 nanosegundos.
Lo más sorprendente es que la fase de la onda luminosa se convirtió en un canal adicional de codificación. Los investigadores provocaron a propósito el solapamiento de frecuencias, aplicando una señal de 10 MHz con una frecuencia de muestreo de solo 976,6 kHz. La diferencia de fase entre la espiral y el guía de ondas recto fue de 0,232π, y la usaron como recurso computacional. Esto permitió alcanzar un error de predicción de 0,0767 y un error de reconocimiento nulo sin aumentar la ganancia.
Antes no estaba claro si se podían reemplazar las voluminosas bobinas y los búferes digitales por una línea de retardo integrada y compacta sin perder capacidad de cómputo. Ahora está claro: una espiral de silicio pasiva con pérdidas de 23,2 dB y ganancia de 0,0223 funciona correctamente. Clasifica señales sin errores, predice el caos con un error de 0,0082 y reconoce a nueve hablantes de vocales japonesas con un error de 0,0898. Esto es el doble de bueno que el anterior procesador de speckle, y solo 2,5 puntos porcentuales peor que una línea de retardo digital con una ganancia 23 veces mayor.
La espiral del tiempo en el chip nos devuelve al principio: un pasillo que no solo retrasa el eco, sino que lo convierte en pensamiento. Ya hoy se pueden diseñar aceleradores fotónicos compactos para tareas de series temporales y reconocimiento de voz, donde importan el tamaño reducido y el bajo consumo. El siguiente paso es obvio: reducir las pérdidas de 23,2 dB a unos pocos decibelios, y entonces las espirales de silicio se convertirán en el corazón de redes neuronales rápidas y eficientes energéticamente.
La espiral de Arquímedes utilizada en el chip lleva el nombre del matemático griego antiguo que la describió en el siglo III a. C. para resolver el problema de la trisección del ángulo. Ahora la misma geometría comprime 1,76 metros de camino óptico en unos pocos milímetros cuadrados.
La idea de la computación de depósito con retardo recuerda a las redes neuronales 'líquidas' de la novela de Greg Egan 'La ciudad de los permutantes', donde los sustratos computacionales usan retardos temporales para procesar información sin elementos lógicos tradicionales.