Optical polarization for ultrafast computing

Descrizione del progetto

Soluzioni alla velocità della luce per problemi difficili

Mentre l’hardware digitale si avvicina ai suoi limiti di prestazioni, i computer Von-Neumann tradizionali si trovano a dover affrontare complessi problemi di ottimizzazione combinatoria in campi quali le reti e l’intelligenza artificiale; di conseguenza ,la necessità di disporre di paradigmi informatici alternativi risulta urgente. Alla luce di tale premessa, il progetto LOOP, finanziato dal CER, esplora l’hardware ottico ultraveloce per risolvere questi problemi. Sfruttando la polarizzazione della luce, LOOP crea una macchina di Ising ottica che opera a velocità nella gamma dei picosecondi, molto più veloce rispetto ai sistemi attuali, secondo un approccio che utilizza la polarizzazione come oscillatore non lineare ultraveloce al fine di codificare le soluzioni, fornendo un meccanismo di calcolo scalabile e parallelo. Alla luce del suo potenziale di risolvere problemi di ottimizzazione NP-difficili in microsecondi, LOOP sta aprendo la strada a una nuova era di calcolo ottico, che trascende i limiti dell’elettronica tradizionale.

Obiettivo

Computing impacts every aspect of modern science and society. Von-Neumann computers are inefficient in addressing important combinatorial optimizations widespread from networks to artificial intelligence. Finding alternative paradigms to tackle these intractable problems is now vital as digital hardware approaches its ultimate performance limit. A promising strategy maps the optimization in spin models implemented on a physical setup that evolves as a spin system to the solution. This fascinating scheme has recently attracted huge interest, leading to various electronic and optical Ising machines that, however, remain challenging to scale and speed up.

LOOP is an experimental proposal that aims at creating ultrafast optical hardware for combinatorial optimization by exploiting the polarization of light. The optical polarization is a new ingredient in computing that is absent in electronics. The original idea is to use the polarization as an ultrafast nonlinear oscillator that encodes the spin. We demonstrate the concept by controlling polarization bifurcation in third-order nonlinear crystals by electro-optics, enabling a low-power computing mechanism that operates at picosecond. The main goal is the realization of a polarization Ising machine that solves NP-hard optimization problems with thousands of spins in microseconds. The all-optical machine operates orders-of-magnitude faster than state-of-the-art digital and analog hardware. The scheme is fully parallel and scalable by combining polarization dynamics with spatial light modulation. Moreover, the vectorial nature of the polarization allows to surpass the binary operation of Ising machines. We exploit orbits on the Poincar sphere to realize an ultrafast XY machine for continuous optimization, opening a new direction in optical computing.
LOOP is an interdisciplinary program that spans from nonlinear optics to complex science to establish a new computing paradigm for optimization in the post-Moores law era.