Fotoni e intelligenza artificiale: la fisica quantistica incontra la memoria associativa
La luce può comportarsi come una rete neurale? Un nuovo studio internazionale dimostra che i fotoni possono simulare i meccanismi della memoria associativa tipici del cervello umano, aprendo una prospettiva innovativa per lo sviluppo di sistemi di calcolo ispirati alla neurobiologia.
La ricerca è stata condotta, per la parte italiana, da Cnr-Nanotec, Istituto Italiano di Tecnologia e Sapienza Università di Roma, insieme a partner internazionali, ed è stata pubblicata su Physical Review Letters.
I fotoni si comportano come una rete di Hopfield
Lo studio mostra che fotoni identici che si propagano all’interno di circuiti ottici integrati possono comportarsi spontaneamente come una rete di Hopfield, uno dei modelli matematici più noti per descrivere la memoria associativa.
Invece di utilizzare chip elettronici tradizionali, i ricercatori hanno sfruttato l’interferenza quantistica: un fenomeno che si manifesta nei chip fotonici quando le particelle di luce si sovrappongono e interagiscono, codificando e recuperando informazioni.
In questo sistema i fotoni non sono semplici portatori di dati, ma diventano essi stessi i “neuroni” di una memoria artificiale.
Il limite della memoria: dalla coerenza al black-out
Lo studio evidenzia anche l’esistenza di un limite fondamentale della capacità di memoria, analogo a quello osservato nei sistemi biologici.
Quando il numero di informazioni memorizzate è contenuto, il sistema riesce a recuperarle correttamente grazie alla coerenza quantistica. All’aumentare dei dati emerge invece una transizione verso uno stato di disordine, tecnicamente definito vetro di spin, in cui la memoria perde la capacità di recupero.
Questo risultato richiama gli studi sui sistemi complessi che hanno portato al Nobel per la fisica 2021 a Giorgio Parisi, rafforzando il ponte teorico tra fisica statistica e intelligenza artificiale.
Verso un’intelligenza artificiale più efficiente e sostenibile
Le implicazioni applicative sono rilevanti. I dispositivi fotonici quantistici potrebbero garantire elevate prestazioni con un consumo energetico drasticamente inferiore rispetto agli attuali data center.
L’ottica quantistica e la fotonica integrata si candidano così a diventare tecnologie chiave per:
- sistemi di intelligenza artificiale neuromorfica
- simulazione di sistemi fisici complessi
- studio di fenomeni disordinati difficili da trattare con computer convenzionali
La piattaforma sviluppata funziona come un laboratorio in miniatura capace di esplorare i fenomeni complessi che governano reti biologiche, sistemi climatici e strutture artificiali.
La luce come nuova architettura di calcolo
Questo lavoro dimostra che le leggi del disordine osservate nei sistemi classici emergono anche nei circuiti quantistici fotonici. La luce diventa così non solo mezzo di trasmissione, ma architettura di calcolo.
Il futuro dell’intelligenza artificiale potrebbe passare proprio dai circuiti fotonici, dove i fotoni “pensano” e la memoria prende forma attraverso le leggi della fisica quantistica.
