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In un recente articolo pubblicato su Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS), un gruppo di ricerca composto da scienziati dell’Istituto di nanotecnologia del Consiglio nazionale delle ricerche di Roma (Cnr-Nanotec), del Dipartimento di Fisica dell’Università Sapienza di Roma e del Center for Life Nano & Neuro-Science (CLN²S) dell’Istituto Italiano di Tecnologia, ha proposto una nuova architettura per il calcolo ottico della dinamica di un modello di vetro di spin.
I vetri di spin. La nuova e complessa risorsa per semplificare i problemi quotidiani. Dall’organizzazione del traffico automobilistico e ferroviario, alla risoluzione dell’interazione fra proteine e il ripiegamento 3D delle stesse.
I vetri di spin sono un sistema con un’enorme varietà di applicazioni. Possono essere utilizzati dalla predizione degli andamenti di borsa alla comprensione della materia solida vetrosa. Le sue applicazioni sono molteplici: dal funzionamento delle reti metaboliche alla progettazione delle reti neurali più avanzate.
“La simulazione numerica al computer della dinamica di un sistema di spin nello stato vetroso è un problema estremamente complesso che richiede un’enorme capacità di calcolo per stimare un numero di termini di accoppiamento, fra tutti gli spin, che cresce molto rapidamente con il numero di variabili in gioco”, spiega Luca Leuzzi, primo ricercatore del Cnr Nanotec di Roma. “E’ un problema che ha stimolato lo studio di algoritmi sempre più efficienti, di tecniche di calcolo parallelo, nonché di hardware dedicati. Il nostro studio ha riguardato un modello di rete neurale, il modello di Hopfield, per l’immagazzinamento ed il recupero di pattern di memoria che, nel caso di sovraccarico di memorie, si comporta come un vetro di spin”.
“Il nuovo calcolatore, realizzato nei laboratori dell’IIt di Roma,”, aggiunge Marco Leonetti, ricercatore del Cnr Nanotec, affiliato IIT e primo autore dello studio, “associa ad un computer standard un dispositivo ottico che si occupa di calcolare il passaggio più dispendioso, in termini di tempo, dell’intero algoritmo: gli aggiornamenti dei contributi energetici degli accoppiamenti fra gli spin. Per fare questo il sistema di spin utilizza la mappa su un fascio di raggi laser. Questo è controllato da uno strumento di ottica adattativa ultraveloce: il Digital Micromirror Device (DMD).”
Le funzioni del DMD
Il DMD è in grado di controllare fino a 1.000.000 di fasci di luce contemporaneamente. E’ possibile testare fino a 32.000 configurazioni ottiche al secondo detti anche stati di spin. In questo modo è possibile quindi di effettuare il calcolo in maniera analogica, battendo in velocità il calcolo su di un cluster di computer digitale.
“I risultati dello studio rappresentano un significativo primo passo verso un computer completamente ottico, con potenzialità di parallelizzazione superiori a quelle di un computer normale”, conclude Leonetti. “Sarà quindi possibile esportare questo approccio ad altre tipologie di problemi complessi come l’interazione fra proteine ed il ripiegamento 3D delle singole proteine. Si occupa anche dello studio di modelli di organizzazione e ottimizzazione per problemi con molti vincoli come il traffico automobilistico o ferroviario”.
