Un avanzamento scientifico rivela come circuiti fotonici possano riprodurre dinamiche cognitive e modelli neurali complessi.
La frontiera tra fisica quantistica e intelligenza artificiale si assottiglia grazie a una ricerca internazionale che coinvolge Cnr‑Nanotec, Istituto Italiano di Tecnologia e Sapienza Università di Roma. Lo studio, pubblicato su Physical Review Letters, dimostra che i fotoni possono riprodurre i meccanismi della memoria associativa, aprendo scenari inediti per sistemi di calcolo ispirati al cervello umano.
Il team ha osservato che fotoni identici, propagandosi all’interno di circuiti ottici, si comportano spontaneamente come una Rete di Hopfield, uno dei modelli matematici più influenti per descrivere il recupero di informazioni nei sistemi neurali.
«Abbiamo sfruttato l’interferenza quantistica nei chip fotonici per codificare e richiamare dati», spiega Marco Leonetti, coordinatore dello studio e ricercatore Cnr‑Nanotec. «In questo contesto, i fotoni non sono semplici vettori di informazione: diventano essi stessi i neuroni di una memoria associativa».
La ricerca mette inoltre in luce un limite intrinseco alla capacità di memoria, analogo a quello osservato nei sistemi biologici. «Finché il numero di informazioni resta contenuto, la coerenza quantistica consente un recupero accurato», osserva Gennaro Zanfardino, primo autore dello studio. «Quando i dati aumentano oltre una soglia critica, il sistema entra in una fase di disordine — un vero e proprio black‑out — simile al vetro di spin».
Le implicazioni sono rilevanti anche sul piano tecnologico. «L’ottica quantistica e la fotonica integrata potrebbero offrire prestazioni elevate con consumi energetici drasticamente inferiori rispetto agli attuali data center», sottolinea Luca Leuzzi, co‑autore e dirigente di ricerca Cnr‑Nanotec.
Oltre all’intelligenza artificiale, la piattaforma fotonica sviluppata permette di simulare sistemi fisici complessi difficili da trattare con i computer convenzionali. Il lavoro si inserisce nella tradizione della fisica dei sistemi disordinati e dialoga idealmente con gli studi sui vetri di spin che hanno portato al Premio Nobel per la Fisica 2021 a Giorgio Parisi, maturati nello stesso ambiente scientifico in cui questa scoperta ha preso forma.
«Mostriamo che le leggi del disordine osservate nei sistemi classici emergono anche nei circuiti quantistici fotonici», conclude Fabrizio Illuminati, direttore di Cnr‑Nanotec. «La luce diventa così un laboratorio in miniatura capace di esplorare fenomeni complessi che governano natura e tecnologia, dal clima alle reti biologiche».
Nella foto: Sistema fotonico per simulare reti neurali.
