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Un sistema ottico risolve un enigma computazionale

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Credit: Mike_shots/Shutterstock Images.

Un gruppo di fisici in Italia ha dimostrato che un sistema di computazione ottica, che usa i fotoni per eseguire i calcoli, supera un computer digitale nel simulare gli stati di un vetro di spin, un problema molto difficile dal punto di vista computazionale.

Un vetro di spin può essere descritto come un reticolo di atomi, ciascuno con un momento magnetico (o spin) che punta verso l'alto o verso il basso, e che possono essere descritti da una variabile -1 o +1. A differenza dei materiali ferromagnetici, dove i momenti magnetici puntano tutti nella stessa direzione, i vetri di spin hanno spin allineati in modo casuale.

Il team di ricerca è stato coordinato da Marco Leonetti dell'Istituto NANOTEC del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) e Istituto Italiano di Tecnologia a Roma, e da Giorgio Parisi, fisico della Sapienza Università di Roma e CNR e attuale presidente dell'Accademia dei Lincei che ha ricevuto la Medaglia Boltzmann nel 1992 per i suoi contributi alla teoria dei vetri di spin. I ricercatori hanno ideato un sistema ottico che simula questo fenomeno, pubblicando i risultati nei Proceedings of the National Academy of Sciences degli USA1.

Il componente centrale del sistema è un Digital Micromirror Device (DMD) usato per modellare il fronte d'onda di un raggio laser. Si tratta di una matrice rettangolare da un milione di pixel, dove ogni pixel è un piccolo specchio lungo 13 micrometri. Ogni microspecchio può essere orientato lungo due direzioni diverse in circa 18 microsecondi.

"Ogni specchio può bloccare la luce in entrata o trasmetterla, corrispondente a una variabile 0 o 1. Abbiamo raggruppato i microspecchi in gruppi d quattro e manipolato i loro orientamenti in modo da invertire la fase delle onde in arrivo per ottenere un'ampiezza -1 o +1", spiega Leonetti.

I raggi di luce che escono dal DMD interferiscono tra loro e sono poi diretti a una fotocamera, che misura l'intensità della luce su un certo numero di punti bersaglio sulla sua lente. L'intensità totale dipende dalle fasi dei raggi di luce in arrivo, nello stesso modo in cui l'energia di un vetro di spin dipende dalla configurazione dello spin.

Leonetti e i coautori hanno poi implementato un algoritmo per trovare gli stati di equilibrio di un vetro di spin e studiare come il sistema li raggiunge. "Quando consideriamo tanti punti sulla lente della camera, osserviamo la transizione verso una fase vetrosa al di sotto di una temperatura critica, che siamo in grado di stimare", spiega Luca Leuzzi, teorico all’istituto CNR-NANOTEC e tra gli autori dello studio.

Su un computer digitale, il tempo necessario per eseguire un passo dell'algoritmo cresce esponenzialmente con il numero di spin, mentre rimane quasi costante nel sistema ottico. In particolare, il sistema ottico supera le prestazioni del sistema digitale quando i raggi in arrivo superano i 12 mila. L'esperimento potrebbe essere modificato per descrivere variabili con più di due stati possibili e questo permetterebbe, per esempio, di calcolare l'affinità tra proteine.

"È un'idea veramente originale quella di costruire un sistema ottico che si comporta come un vetro di spin", dice Sergio Ciliberto, fisico dell'École Normale Supérieure de Lyon, che non è stato coinvolto nello studio. "Applicazioni interessanti potrebbero essere algoritmi di riconoscimento di immagini e forme. Il punto cruciale è trovare un metodo per dare in pasto al sistema i dati su cui addestrarsi."

doi: https://doi.org/10.1038/d43978-021-00069-8

References

  1. 1.

    Leonetti, M. et al. PNAS 118 (2021).

    Article  Google Scholar 

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