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Algoritmo ottico per la simulazione numerica della dinamica di un vetro di spin

Nuovo studio condotto dai ricercatori del Cnr Nanotec, dell’Università Sapienza e IIT

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 sono un sistema modello con una enorme varietà di applicazioni che spaziano dalla predizione degli andamenti di borsa, alla comprensione della materia solida vetrosa; al funzionamento delle reti metaboliche ed alla progettazione delle reti neurali più avanzate.

Nella simulazione numerica dei “vetri di spin” il calcolo della energia di interazione è un problema estremamente complesso che richiede un’enorme potenza di calcolo in cui il tempo di CPU cresce quadraticamente con il numero di variabili in gioco. Il nostro approccio permette di effettuare questo calcolo in un tempo molto breve, parliamo di microsecondi, indipendentemente dal numero di “spin” considerati.” dichiara Giancarlo Ruocco, coordinatore del Center for Life Nano & Neuro-Science dell’Istituto Italiano di Tecnologia e ultimo autore del paper.

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 viene mappato su un fascio di raggi laser controllato da uno strumento di ottica adattativa ultraveloce: il Digital Micromirror Device (DMD).

Il DMD è in grado di controllare fino a 1.000.000 di fasci di luce contemporaneamente e può testare fino a 32.000 configurazioni ottiche al secondo (stati di spin) permettendo 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; lo studio di modelli di organizzazione e ottimizzazione per problemi con molti vincoli come il traffico automobilistico o ferroviario, ed il comportamento di modelli di vetro di spin di complessità superiore e dinamica non-lineare.


Per approfondimenti: “Optical computation of a spin glass dynamics with tunable complexity

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