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Il CREF promuove linee di ricerca originali e di grande impatto, improntate ai metodi della fisica, ma con un forte carattere interdisciplinare e in relazione con i principali problemi della moderna società della conoscenza.

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CREF nasce con la duplice anima di Centro di Ricerca e di Museo Storico, con l’intento di conservare e diffondere la memoria di Enrico Fermi, oltre che favorire un’ampia diffusione e comunicazione della cultura scientifica.

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Tecnologie Fotoniche e Intelligenza Artificiale

Responsabile della linea di ricerca
Claudio Conti
Introduzione

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 rirceche 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.

E’ 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 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 criptografia.

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 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

Le prime evidenze sperimentali di questa possibilità sono state riportate da ricercatori del CREF, che hanno dimostrato calcoli ottici con centinaia di migliaio di variabili, una scala mai raggiunta prima. Queste “proof-of-concept” saranno sviluppate ampiamente verso una nuova generazione di calcolatori fotonici. Saranno inoltre affrontati i problemi fisici fondamentali legati al ruolo dell’entanglement, agli effetti non lineari e ai modi collettivi.

Finalità e obiettivi

Il progetto sulle tecnologie fotoniche e l’intelligenza artificiale ha lo scopo di dimostrare sperimentalmente nuove macchine di calcolo che utilizzano la luce per accelerare la soluzione di problemi di ottimizzazione combinatoria e per delle reti neurali ibride elettroniche e fotoniche. Un ulteriore obiettivo è sviluppare conoscenze in merito alla fisica di base classica e quantistica in questi dispositivi, mediante teorie e simulazioni numeriche.

Le finalità prevedono la messa in opera di un nuovo laboratorio con strumentazione ottica, e la creazione un gruppo formato da 2 ricercatori, 1 tecnologo e 2 assegnisti di ricerca, oltre ad alcuni associati nell’ambito delle collaborazioni con enti e università. 

Il laboratorio è in fase di allestimento. Per ora sono stati installati tre banchi ottici attrezzati, comprensivi di modulatori spaziali di luce e prime sorgenti laser a bassa potenza, come descritto nella sezione infrastrutture. Attualmente è in servizio un ricercatore a tempo indeterminato che si occupa del design e della simulazione delle macchine fotoniche. Un secondo ricercatore a tempo determinato è stato assunto su progetto con fondi esterni PNRR per l’iniziativa giovani ricercatori e si occupa della realizzazione dei prototipi e relativi esperimenti. Inoltre, un tecnologo è dedicato alla manutenzione del laboratorio e della strumentazione presente. 

La realizzazione delle prime macchine computazionali è prevista nel corso del 2023 e del 2024.

Contenuti e metodi

Il progetto si articola su tre direzioni principali

  1. Ideazione, ingegnerizzazione, e simulazione al calcolatore di nuove macchine computazionali fotoniche. Teoria dei sistemi classici e quantistici che compongono tali macchine.
  2. Messa in opera e sviluppo di un laboratorio di fotonica computazionale con lo scopo di testare sperimentalmente le macchine computazionali. Realizzazione di un’infrastruttura dotata di avanzati sistemi laser integrati con sistemi computazionali. 
  3. Dimostrazione sperimentale dei prototipi e nuovi esperimenti di fisica interdisciplinare, classica e quantistica, basata sulle macchine computazionali fotoniche

Figura 1. Rappresentazione di un modello computazionale con spin multidimensionali

L’analisi teorica si articola in due principali direzioni: classica e quantistica. Con lo studio di sistemi classici, il progetto prevede da un lato la formulazione e l’analisi di nuovi modelli matematici basati sulla dinamica nonlineare di oscillatori parametrici accoppiati, con lo scopo di simulare modelli di spin in dimensione arbitraria; dall’altro, la simulazione di tali modelli attraverso il formalismo delle mappe discrete nonlineari con lo scopo di ingegnerizzare esperimenti atti ad implementare nuovi paradigmi di calcolo. Con l’analisi dei sistemi quantistici, il progetto si pone l’obiettivo di studiare modelli quanto-meccanici di oscillatori la cui descrizione matematica si basa principalmente sul formalismo dei sistemi aperti dissipativi (formalismo di Lindblad). In questa direzione, lo scopo del progetto è principalmente l’investigazione di come la presenza di correlazioni quantomeccaniche tra gli oscillatori influenzi l’efficienza computazionale della macchina, mostrando quindi un “quantum advantage” rispetto alla controparte classica.

I metodi sperimentali si basano sulla modulazione di fasci laser mediante modulatori spaziali di luce e sull’interazione della luce con sistemi fotonici complessi. La modulazione spaziale della fase del campo ottico consente di codificare milioni di variabili in un singolo spot luminoso di qualche millimetro. L’attraversamento della luce in materiali fotonici con proprietà controllate, come il disordine e non linearità, consente l’elaborazione in parallelo di questo enorme quantità di dati. I laser utilizzati comprendono sorgenti in continua ed impulsate. La rivelazione avviene mediante telecamere ad alta risoluzione. I materiali fotonici che supportano il calcolo sono strutture policristalline ottenute tramite tecniche di assemblaggio bottom-up a partire da nanoparticelle. Gli apparati sperimentali vengono controllati da calcolatori classici che consentono la programmazione e l’ingegnerizzazione delle macchine fotoniche. In particolare, si sviluppano apparati in grado di realizzare i modelli e i metodi sviluppati nell’attività teorica. Particolari setup innovativi per la misura del profilo di fase e di ampiezza consentono l’elaborazione efficace di grandi dataset.

  • Weizmann Institute for Science, Israel (Prof. Nir Davidson)
  • Ecole Normale de Paris (Prof. Sylvain Gigan) 
  • Universitè de Paris (Prof. Cristiano Ciuti) 
  • University of St. Adrews (Prof. Andrea Di Falco) 
  • ETH Zurich (Prof. Rachel Grange)
  • Institute for Complex Systems, CNR-Italy (Dr.ssa Pilozzi, Dr.ssa Brosco, Dr.ssa Gentilini, Dr. Pierangeli, Dr.ssa Ghofraniha, Dr. Felicetti)
  • Claudio Conti, Università Sapienza, 50%,
  • Marcello Calvanese Strinati, Ricercatore, CREF, 90% 
  • Romolo Savo, Ricercatore, CREF, 90% 
  • Giovanni De Angelis, Tecnologo, CREF, 50 %.
  • M. Calvanese Strinati, D. Pierangeli, and C. Conti, “All-optical scalable spatial coherent Ising machine”, Phys. Rev. Applied 16, 054022 (2021)
  • M. Calvanese Strinati, F. Vewinger, and C. Conti, “Nonlocality-induced surface localization in Bose-Einstein condensates of light”, Phys. Rev. A 105, 043318 (2022) 
  • M. Calvanese Strinati and C. Conti, “Multidimensional hyperspin machine”, Nature Commun. 13, 7248 (2022) 
  • M. Calvanese Strinati and C. Conti, “Hyperscaling in the coherent hyperspin machine”, arXiv:2308.02329 (2023) 
  • Wang, X. S., Savo, R., Maeder, A., Kaufmann, F., Kellner, J., Morandi, A., Rotter, S. Sapienza, R. and Grange, R. (2023). “Graph model for multiple scattering in lithium niobate on insulator integrated photonic networks”. ArXiv:2306.15483 (2023). 
  • M. Missori, L. Pilozzi, C. Conti, “Observation of terahertz transition from Fano resonances to bound states in the continuum,” Optics Letters 48, 2381 (2023)
  • R. Falcone, C. Conti, “Frame dependence of the nonrelativistic limit of quantum fields,” Phys. Rev. D 107, 085016 (2023) 
  • D. Pierangeli, C. Conti, “Single-shot polarimetry of vector beams by supervised learning,” Nature Communi. 14. 1831 (2023) 
  • R. Falcone, C. Conti, “Observing single particles beyond the Rindler horizon,” Phys. Rev. A 107, L030203 (2023) 
  • R. Falcone, C. Conti, “Nonrelativistic limit of scalar and Dirac fields in curved spacetime,” Phys. Rev. D 107, 045012 (2023) 
  • C. Conti, “Random walk and non-Gaussianity of the 3D second-quantized Schrödinger–Newton nonlocal soliton,” New Journal of Physics 25, 023026 (2023) 
  • Carlo M. Valensise, Ivana Grecco, Davide Pierangeli, and Claudio Conti, “Large-scale photonic natural language processing,” Photonics Research 10, 2846 (2022) 
  • R. Falcone, C. Conti, “Minkowski-Fock states in accelerated frames,” Phys. Rev. D106, 045013 (2022) 
  • C. Conti, “Variational quantum algorithm for Gaussian discrete solitons and their boson sampling,” Phys. Rev. A 106, 013518 (2022) 
  • M. Missori, L. Pilozzi, C. Conti, “Terahertz waves dynamic diffusion in 3D printed structures,” Scientific Reports 12, 8613 (2022) 
  • Zhen-Ting Huang, Kuo-Bin Hong, Ray-Kuang Lee, Laura Pilozzi, Claudio Conti, Jhih-Sheng Wu, Tien-Chang Lu, “Pattern-tunable synthetic gauge fields in topological photonic graphene,” Nanophotonics 11, 1297 (2022) 
  • C. Conti, E. Del Re, “Photonics and the Nobel Prize in Physics,” Nature Photonics 16, 6 (2022) 
  • C. Conti, “Training Gaussian boson sampling by quantum machine learning,” Quantum Machine Intelligence 3, 26 (2021)