Quando la luce “pensa” come il cervello: scoperta la connessione tra fotoni e memoria artificiale
Uno studio internazionale ha rivelato un collegamento sorprendente tra la fisica quantistica e i modelli teorici alla base dell’intelligenza artificiale. La ricerca, frutto della collaborazione tra l’Istituto di Nanotecnologia del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr-Nanotec), l’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) e la Sapienza Università di Roma, insieme ad istituzioni di ricerca internazionali, è stata pubblicata sulla rivista Physical Review Letters.
I risultati mostrano che fotoni identici che si propagano all’interno di circuiti ottici si comportano spontaneamente come una Rete di Hopfield, uno dei modelli matematici più noti per descrivere i meccanismi di memoria associativa del cervello umano.
“Invece di utilizzare chip elettronici tradizionali, abbiamo sfruttato l’interferenza quantistica, il fenomeno che si manifesta nei chip fotonici quando le particelle di luce si sovrappongono e interagiscono tra loro per codificare e recuperare informazioni”, spiega Marco Leonetti, coordinatore e corresponding author dello studio, primo ricercatore del Cnr-Nanotec e affiliato al Center for Life Nano- and Neuro-Science dell’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT). “In questo sistema, i fotoni non sono semplici portatori di dati, ma diventano essi stessi i ‘neuroni’ di una memoria associativa”.
Lo studio evidenzia, inoltre, l’esistenza di un limite fondamentale della capacità di memoria, analogo a quello osservato nei sistemi biologici.
“Quando il numero di informazioni memorizzate è limitato, il sistema riesce a recuperarle correttamente grazie alla coerenza quantistica”, aggiunge Gennaro Zanfardino, attualmente borsista di ricerca dell’Università del Salento e primo autore dello studio. “All’aumentare dei dati, però, emerge una transizione verso una fase di black-out della memoria, in cui il sistema entra in uno stato di disordine, tecnicamente definito vetro di spin, perdendo la capacità di recupero”.
“Questi risultati aprono nuove prospettive per l’impiego dell’ottica quantistica e della fotonica integrata nello sviluppo di sistemi di intelligenza artificiale”, sottolinea Luca Leuzzi, co-autore della ricerca, dirigente di ricerca Cnr-Nanotec e associato alla Sapienza Università di Roma. “Dispositivi di questo tipo potrebbero garantire elevate prestazioni con un consumo energetico drasticamente inferiore rispetto agli attuali data center”.
Le implicazioni dello studio vanno oltre l’ambito dell’intelligenza artificiale. La piattaforma fotonica sviluppata consente infatti di simulare e investigare sistemi fisici complessi e disordinati, difficilmente trattabili con i computer convenzionali. In questo contesto, il lavoro si inserisce nella tradizione della fisica teorica dei sistemi complessi e stabilisce un ponte concettuale con gli studi sui vetri di spin che hanno valso il Premio Nobel per la Fisica 2021 a Giorgio Parisi. Non a caso, la scoperta è maturata nello stesso ambiente scientifico in cui Parisi ha sviluppato le sue teorie.
“Con questo studio, di cui siamo particolarmente orgogliosi, dimostriamo che le leggi del disordine osservate nei sistemi classici emergono anche nei circuiti quantistici fotonici”, conclude Fabrizio Illuminati, direttore del Cnr-Nanotec e co-autore della ricerca. “La luce diventa così un vero e proprio laboratorio in miniatura, capace di esplorare i fenomeni complessi che governano sistemi naturali e artificiali, dal clima alle reti biologiche”.
