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Optoelectronic and all-optical hyperspin machines for large-scale computing

Descrizione del progetto

Macchine fotoniche per il calcolo completamente ottico su larga scala

L’hardware efficiente per l’ottimizzazione combinatoria e l’apprendimento automatico ha un impatto sulla scienza e sull’ingegneria. La fotonica offre nuovi modelli di calcolo per affrontare problemi non gestibili tramite l’informatica convenzionale, ma i dispositivi attuali sono limitati a migliaia di spin e operano sulla scala dei secondi. Il progetto HYPERSPIM, finanziato dal CER, si propone di dimostrare l’uso di macchine fotoniche per l’elaborazione parallela ultraveloce di milioni di spin in pochi microsecondi. HYPERSPIM riduce al minimo la hamiltoniana di Ising, usando un sistema computazionale con uno spazio di caratteristiche ad alta dimensione, e accelera l’ottimizzazione grazie a processi ottici non lineari ultraveloci. Il progetto svilupperà dispositivi digitali, dispositivi optoelettronici e dispositivi completamente ottici classici e quantistici, eseguendone un’analisi comparativa con problemi su larga scala. L’obiettivo è sviluppare ulteriormente l’intelligenza artificiale fotonica, il calcolo completamente ottico su larga scala e la scienza di base.

Obiettivo

Efficient hardware for combinatorial optimization and machine learning impacts science, engineering, and society. With new computational models, photonics tackle problems intractable with conventional computing systems. However, existing devices only scale up to thousands of spins and operate at the second timescale.
I demonstrate photonic machines for ultrafast parallel processing of millions of spins with microsecond timescale. The strategy is minimizing a class of functions, the Ising Hamiltonian, by a new computational system that uses a high-dimensional feature space and speeds up optimization by orders of magnitude by ultrafast nonlinear optical processes. I build digital, optoelectronics, and all-optical classical and quantum devices and benchmark with real-world, large-scale problems.
By spatial modulation technology and a cheap, simple, and scalable design, light propagation is recurrently trained towards the ground state of a programmable Ising Hamiltonian. Starting from my proof-of-concept, first, I aim at the energetically efficient computing of large-scale Hamiltonians. Second, I include self-optimizing all-optical nonlinear ultrafast phase-locking processes. Third, I demonstrate record combinatorial optimization by letting the spins evolve in a high dimensional space to guarantee high success probability.
HYPERSPIM leverages the interplay of classical and quantum dynamics through the onset of entanglement and squeezing. The unprecedented scale and versatility allow the first quantum optimization tests for real-world complex computational tasks.
HYPERSPIM achieves the fastest and biggest optical computing device operating in classical and quantum regimes in an interdisciplinary route towards new photonic artificial intelligence, large-scale all-optical computing, and fundamental science.

Campo scientifico (EuroSciVoc)

Programma(i)

Argomento(i)

Meccanismo di finanziamento

HORIZON-ERC - HORIZON ERC Grants

Vedi tutti i progetti finanziati nell’ambito di questo schema di finanziamento

Invito a presentare proposte

(si apre in una nuova finestra) ERC-2023-ADG

Vedi tutti i progetti finanziati nell’ambito del bando

Istituzione ospitante

UNIVERSITA DEGLI STUDI DI ROMA LA SAPIENZA
Contributo netto dell'UE
€ 2 490 000,00
Indirizzo
Piazzale Aldo Moro 5
00185 Roma
Italia
Regione
Centro (IT) Lazio Roma
Tipo di attività
Higher or Secondary Education Establishments
Collegamenti
Costo totale
€ 2 490 000,00

Beneficiari (1)