Il tuo computer esegue bene la maggior parte delle attività. Per l'elaborazione di testi, certi calcoli, arti grafiche e navigazione web, la scatola digitale sulla tua scrivania è lo strumento migliore per il lavoro. Ma il modo in cui funziona il tuo computer, con il suo stile di matematica che si basa sul sistema di codice binario di "on" e "off" 1 e 0, non è l'ideale per risolvere ogni problema.

Ecco perché ricercatori come Zoltán Toroczkai, professore ordinario presso il Dipartimento di Fisica e professore a contratto presso il Dipartimento di Informatica e Ingegneria dell'Università di Notre Dame, sono interessati a far rivivere l'informatica analogica in un momento in cui l'informatica digitale ha raggiunto il suo massimo potenziale.

Toroczkai e collaboratori hanno lavorato allo sviluppo di un nuovo approccio matematico che aiuterà a far avanzare il calcolo oltre il quadro digitale. Il suo articolo più recente, pubblicato in Comunicazioni sulla natura , descrive una nuova matematica, "solver" analogico che può potenzialmente trovare la migliore soluzione ai problemi NP-hard.

La durezza NP è una teoria della complessità computazionale, con problemi famosi per la loro difficoltà. Quando il numero di variabili è grande, problemi legati alla programmazione, ripiegamento delle proteine, bioinformatica, l'imaging medico e molte altre aree sono quasi irrisolvibili con metodi noti. Dopo aver testato il loro nuovo metodo su una varietà di problemi NP-hard, i ricercatori hanno concluso che il loro risolutore ha il potenziale per portare a migliori, e possibilmente più veloce, soluzioni che possono essere calcolate digitalmente.

I computer analogici sono stati utilizzati per prevedere le maree dall'inizio alla metà del XX secolo, guida le armi sulle navi da guerra e lancia i primi razzi della NASA nello spazio. Usarono per primi ingranaggi e valvole termoioniche, e più tardi, transistor, che potrebbe essere configurato per risolvere problemi con una serie di variabili. Eseguono direttamente le funzioni matematiche. Ad esempio, per aggiungere 5 e 9, i computer analogici aggiungono tensioni che corrispondono a quei numeri, e quindi ottenere immediatamente la risposta corretta. Però, i computer analogici erano ingombranti e soggetti a "rumore" - disturbi nei segnali - ed erano difficili da riconfigurare per risolvere diversi problemi, così caddero in disgrazia.

I computer digitali sono emersi dopo che i transistor e i circuiti integrati sono stati prodotti in serie in modo affidabile, e per molti compiti sono precisi e sufficientemente flessibili. Algoritmi informatici, sotto forma di software, sono insiemi di istruzioni che indicano all'hardware del computer come eseguire. Poiché il processo è limitato all'uso di 0 e 1, questo rende anche la loro programmazione più semplice, e ha permesso all'informatica digitale di dominare per quasi 70 anni.

Però, le loro restrizioni possono impedire ai computer digitali di risolvere problemi NP-hard con molte variabili. Uno di questi problemi è il problema del "commesso ambulante", in cui un venditore deve iniziare in una città e tornare in quella città alla fine di un viaggio, ma in mezzo, deve viaggiare in tutte le diverse città su un elenco. Qual è il percorso più efficiente tra tutti i punti? Il problema diventa esponenzialmente più impegnativo con l'aggiunta di più città. La difficoltà con tali problemi di ottimizzazione, Toroczkai ha osservato, è "mentre puoi sempre trovare una risposta, non puoi determinare se è ottimale. Determinare che non esiste una soluzione migliore è difficile quanto il problema stesso".

Una sfida per il calcolo analogico risiede nella progettazione di algoritmi continui. A differenza dell'informatica digitale, che ha una lunga storia nello sviluppo di algoritmi, gli algoritmi per i computer analogici mancano di una base di conoscenza simile e quindi sono molto difficili da progettare. L'approccio di Toroczkai è diverso dai tipi di algoritmi per computer digitali, in tutti gli aspetti.

Il prossimo passo è progettare e costruire dispositivi basati su questo approccio, un processo che sarà affrontato all'interno del College of Engineering di Notre Dame. I computer analogici sarebbero costruiti per compiti specifici, e non per le esigenze informatiche quotidiane. Questo lavoro fa parte di un più ampio sforzo multi-istituzionale, denominata Elettronica collettiva ad alta efficienza energetica (EXCEL), guidato da Suman Datta di Notre Dame, Freimann cattedra di ingegneria e professore di ingegneria elettrica, in collaborazione con Sharon Hu, professore di informatica e ingegneria.

"Ci sono per lo più problemi di ingegneria che devono essere risolti a questo punto, come capacità spurie e migliore controllo del rumore, ma sta per arrivare, " Toroczkai ha detto. "Idealmente vorrei vedere che hai questa scatola sulla tua scrivania che è il tuo programmatore. E farà un lavoro molto meglio del tuo normale computer."