Un'importante classe di problemi computazionali impegnativi, con applicazioni in teoria dei grafi, reti neurali, l'intelligenza artificiale e i codici di correzione degli errori possono essere risolti moltiplicando i segnali luminosi, secondo i ricercatori dell'Università di Cambridge e dello Skolkovo Institute of Science and Technology in Russia.

In un articolo pubblicato sulla rivista Lettere di revisione fisica , propongono un nuovo tipo di calcolo che potrebbe rivoluzionare il calcolo analogico riducendo drasticamente il numero di segnali luminosi necessari e semplificando la ricerca delle migliori soluzioni matematiche, consentendo computer ottici ultraveloci.

Il calcolo ottico o fotonico utilizza fotoni prodotti da laser o diodi per il calcolo, rispetto ai computer classici che utilizzano gli elettroni. Poiché i fotoni sono essenzialmente privi di massa e possono viaggiare più velocemente degli elettroni, un computer ottico sarebbe superveloce, efficiente dal punto di vista energetico e in grado di elaborare le informazioni contemporaneamente attraverso più canali ottici temporali o spaziali.

L'elemento di calcolo in un calcolatore ottico, alternativo agli uni e agli zeri di un calcolatore digitale, è rappresentato dalla fase continua del segnale luminoso, e il calcolo viene normalmente ottenuto sommando due onde luminose provenienti da due diverse sorgenti e quindi proiettando il risultato sugli stati '0' o '1'.

Però, la vita reale presenta problemi altamente non lineari, dove più incognite cambiano simultaneamente i valori di altre incognite mentre interagiscono in modo moltiplicativo. In questo caso, l'approccio tradizionale al calcolo ottico che combina le onde luminose in modo lineare fallisce.

Ora, La Professoressa Natalia Berloff del Dipartimento di Matematica Applicata e Fisica Teorica di Cambridge e Ph.D. lo studente Nikita Stroev dell'Istituto di scienza e tecnologia di Skolkovo ha scoperto che i sistemi ottici possono combinare la luce moltiplicando le funzioni d'onda che descrivono le onde luminose invece di sommarle e possono rappresentare un diverso tipo di connessioni tra le onde luminose.

Hanno illustrato questo fenomeno con quasi-particelle chiamate polaritoni, che sono metà luce e metà materia, estendendo l'idea a una classe più ampia di sistemi ottici come gli impulsi luminosi in una fibra. Piccoli impulsi o macchie di coerente, polaritoni in rapido movimento possono essere creati nello spazio e sovrapporsi tra loro in modo non lineare, a causa della componente materia dei polaritoni.

"Abbiamo scoperto che l'ingrediente chiave è come si accoppiano i legumi tra loro, " disse Stroev. "Se ottieni l'accoppiamento e l'intensità della luce giusti, la luce si moltiplica, che influenzano le fasi dei singoli impulsi, dando via la risposta al problema. Ciò rende possibile utilizzare la luce per risolvere problemi non lineari".

La moltiplicazione delle funzioni d'onda per determinare la fase del segnale luminoso in ciascun elemento di questi sistemi ottici deriva dalla non linearità che si verifica naturalmente o è introdotta dall'esterno nel sistema.

"Ciò che è stato sorprendente è che non è necessario proiettare le fasi di luce continua sugli stati '0' e '1' necessari per risolvere i problemi nelle variabili binarie, " disse Stroev. "Invece, il sistema tende a realizzare questi stati al termine della sua ricerca della configurazione di minima energia. Questa è la proprietà che deriva dalla moltiplicazione dei segnali luminosi. Anzi, le macchine ottiche precedenti richiedono un'eccitazione risonante che fissa le fasi a valori binari esternamente."

Gli autori hanno anche suggerito e implementato un modo per guidare le traiettorie del sistema verso la soluzione modificando temporaneamente le forze di accoppiamento dei segnali.

"Dovremmo iniziare a identificare diverse classi di problemi che possono essere risolti direttamente da un processore fisico dedicato, " ha detto Berloff. "I problemi di ottimizzazione binaria di ordine superiore sono una di queste classi, e i sistemi ottici possono essere resi molto efficienti nel risolverli."

Ci sono ancora molte sfide da affrontare prima che il calcolo ottico possa dimostrare la sua superiorità nella risoluzione di problemi complessi rispetto ai moderni computer elettronici:riduzione del rumore, Correzione dell'errore, scalabilità migliorata, guidare il sistema verso la vera soluzione migliore sono tra questi.

"Cambiare la nostra struttura per affrontare direttamente diversi tipi di problemi può portare le macchine di calcolo ottico più vicine alla risoluzione di problemi del mondo reale che non possono essere risolti dai computer classici, " disse Berloff.