Il progetto si propone di sviluppare nuovi sistemi fotonici principalmente con lo scopo di realizzare macchine di calcolo ottico innovative in grado di superare i limiti delle macchine di calcolo tradizionali. L’attività sperimentale esplora l’uso della luce laser e la sua interazione con mezzi fotonici complessi per accelerare la soluzione di problemi di ottimizzazione combinatoria e per implementare reti neurali ibride elettroniche e fotoniche. L’attività teorica è volta a sviluppare modelli matematici avanzati per la simulazione di sistemi combinatoriali che siano rappresentabili come sistemi di spin, con lo scopo di esplorare la fisica classica e quantistica alla base dei dispositivi in esame, e di testare l’efficienza di nuovi algoritmi di calcolo.

Enrico Fermi è stato un pioniere nella realizzazione e nell’utilizzo di macchine calcolatrici, esempi sono presenti anche nel Museo del CREF.

In anni recenti il concetto di macchina computazionale si è notevolmente allargato ed esiste un’intensa attività per l’ideazione di nuovi calcolatori che includono tecnologie quantistiche e fotoniche. In questa direzione sono largamente coinvolte le maggiori realtà industriali nel mondo, tra cui IBM, NTT, HUAWEI e numerose startup in varie nazioni tecnologicamente avanzate. La leva per le nuove tecnologie computazionali è data dalla cosiddetta fine della legge di Moore, la regola empirica che ha descritto nel corso dell’ultimo ventennio la rapida crescita della potenza di calcolo nei sistemi a semiconduttori tradizionali. Negli ultimi anni si è osservata la fine di questa crescita, evidenziando uno stallo nelle prestazioni dovuto principalmente a limiti fisici.

Questa circostanza ha motivato numerose ricerche per nuove tecnologie per il calcolo. Queste ricerche sono ulteriormente alimentate dai risultati recenti in merito all’impatto ambientale delle nuove metodologie di intelligenza artificiale. Gli algoritmi che oggi stanno cambiando la società necessitano di risorse di calcolo che crescono esponenzialmente con gli anni e il cui impatto ambientale si può capire osservando che l’addestramento di una singola intelligenza artificiale produce emissione di carbonio confrontabile con quello di decine di voli intercontinentali.

È quindi necessario sviluppare nuove tecnologie che siano più performanti dei processori convenzionali e consumino meno energia: per esempio, operando a temperatura ambiente senza necessità di sistemi di raffreddamento.

La fotonica è considerata ad oggi la tecnologia più promettente in questo contesto. Studi dimostrano l’elaborazione parallela di enormi quantità di dati tramite raggi laser che codificano l’informazione mediante tecniche avanzate di modulazione. Nel lungo termine l’inclusione di algoritmi quantistici può radicalmente accelerare la velocità di calcolo, oltreché innovativi metodi di crittografia.

I sistemi fotonici e quantistici possono risolvere problemi di ottimizzazione in un tempo polinomiale con le dimensioni del sistema: una possibilità spesso indicata come “Vantaggio Quantistico.” Ciò che il CREF vuole perseguire attraverso la linea di ricerca “Tecnologie fotoniche ed intelligenza artificiale” è lo sviluppo di sistemi quantistici fotonici per l’accelerazione della computazione, che forniscano il risultato del calcolo in una forma classica robusta, che non sia soggetta a decoerenza e quindi sia immediatamente interfacciabile con calcolatori tradizionali. 

Il lavoro è portato avanti su due linee di ricerca parallele: una sperimentale, incentrata intorno al lavoro del Laboratorio di Fotonica Computazionale del CREF, il cui responsabile è il Dr. Romolo Savo, ed una teorica, incentrata sullo sviluppo di modelli matematici per testare l’efficienza su larga scala di nuovi algoritmi di calcolo combinatorio attraverso simulazioni numeriche, il cui responsabile è il Dr. Marcello Calvanese Strinati.

Il progetto è collegato al Laboratorio di Fotonica