Costruisce macchine che risolveranno i nostri problemi più complessi

Il nostro mondo è pieno di problemi intrattabili e dispendiosi in termini di tempo, chiamati problemi di ottimizzazione combinatoria. Lo scienziato di Wallenberg Johan Ackermann costruirà macchine in grado di risolvere problemi complessi di microsecondi in modo rapido ed efficiente dal punto di vista energetico. Apre la strada a tecnologie più flessibili e a enormi opportunità per utilizzare le risorse della società in modo più efficiente.

I problemi di ottimizzazione combinatoria sono ovunque intorno a noi. Forse non ci pensiamo, ma nella vita di tutti i giorni ci troviamo spesso ad affrontare sfide che possono essere risolte in un’ampia varietà di modi.

È comune che i problemi di ottimizzazione combinatoria diventino rapidamente irrisolvibili man mano che il numero di parti da ottimizzare aumenta, portando a un'esplosione di possibilità. Un semplice esempio è quando sei in viaggio e desideri caricare i bagagli in macchina nel modo più efficiente possibile. Le borse hanno forme e dimensioni diverse che devono adattarsi a uno spazio limitato, portando a un numero enorme di possibili combinazioni nella confezione, afferma Johan Ackermann, professore di fisica sperimentale all'Università di Göteborg.

Nella comunità esistono molti problemi di ottimizzazione combinatoria, relativi ad aree quali la codifica, l'allocazione delle risorse, la pianificazione del movimento o la pianificazione.

-Quali pazienti dovrebbero essere ricoverati in ospedale? Come possiamo migliorare la rete elettrica e la capacità di trasmissione tra i paesi? Come possiamo rendere più efficienti i movimenti degli ascensori in un hotel? I problemi di ottimizzazione combinatoria si verificano su scale sempre più piccole e li risolviamo bene, probabilmente l’80% delle volte. Ma se volessimo risolverlo troppo bene e troppo velocemente, oggi non ci riusciremmo, dice.

Calcoli efficaci con oscillatori

Johan Ackermann punta a risolvere problemi di ottimizzazione armonica con grandi reti di oscillatori. Gli oscillatori possono essere descritti come circuiti oscillanti elettronici interagenti in grado di eseguire calcoli avanzati, proprio come i nostri neuroni.

Negli ultimi dieci anni, Ackerman ha costruito una ricerca leader a livello mondiale in questo campo.

I finanziamenti delle Fondazioni Wallenberg forniscono sicurezza e stabilità che sono assolutamente preziose per il lavoro di ricerca.

– Se riusciamo a risolvere senza soluzione di continuità i problemi di ottimizzazione combinatoria, la società può ottenere di più dalle risorse esistenti e ridurre tutti gli “sprechi” che si verificano perché non facciamo le cose nel modo giusto. Ottenere quasi il 20% di risorse aggiuntive sarebbe estremamente importante in molti settori, ma anche aumenti più piccoli farebbero una grande differenza. Pensate, ad esempio, se potessimo migliorare il flusso del traffico del 5% ed eliminare gran parte della congestione del traffico, o se potessimo aumentare il traffico ferroviario del 10% sulla rete ferroviaria e ridurre i ritardi, dice.

Le reti si sforzano di raggiungere uno stato ideale

Oggi si fa molta ricerca sui computer quantistici per poter eseguire calcoli avanzati e ultraveloci. Ma costruire computer quantistici utili è ancora difficile e costoso e richiede molta energia da utilizzare.

La ricerca di Johan Ackermann si concentra sulla costruzione delle cosiddette macchine per il ghiaccio. Si tratta di grandi reti di nano-oscillatori interagenti che possono eseguire enormi quantità di calcoli in modo molto rapido ed efficiente dal punto di vista energetico.

Gli oscillatori nelle reti sono collegati tra loro e interagiscono costantemente con i loro vicini. Influenzando la forza di diversi legami, i ricercatori possono programmare molti problemi di compatibilità. Gli oscillatori rispondono cambiando i loro stati di fase – essendo in fase o fuori fase – e cercano collettivamente di raggiungere lo stato ideale, in cui tutti gli oscillatori sono collegati in modo ottimale tra loro.

– Gli oscillatori oscillano e la loro fase fluttua finché il sistema non trova il suo miglior stato comune, risolvendo così il problema armonico. La sfida è creare e programmare reti davvero grandi in modo che gli oscillatori possano risolvere problemi importanti, ad esempio la distanza tra le città per trovare il percorso di viaggio più breve, dice e continua:

– Se riuscissimo a risolvere i problemi di ottimizzazione combinatoria in modo rapido ed efficiente dal punto di vista energetico, ciò potrebbe aprire possibilità a cui non abbiamo ancora pensato.

Aprendo la strada a una tecnologia più efficiente

Nei prossimi anni Johan Ackermann spera di creare una macchina Ising perfettamente funzionante e commercialmente rilevante. È già in viaggio. Finora il gruppo di ricerca è riuscito a collegare una rete di 100.000 oscillatori sincroni su una superficie molto piccola.

– Gli oscillatori hanno una dimensione di soli dieci nanometri e sono posizionati a 24 nanometri di distanza l'uno dall'altro in una griglia. Ciò significa che attualmente è possibile inserire 1,7 miliardi di oscillatori in un chip di un millimetro quadrato, spiega.

I formati ultra-piccoli aprono molte possibilità per una tecnologia più efficiente. Soprattutto in piccole applicazioni come droni o telefoni cellulari.

– Dice che piccoli chip con capacità computazionali ad alta efficienza energetica faciliterebbero molte funzioni nei telefoni cellulari.

Il mondo dell'elettronica attira da tempo Johan Ackermann. Quando aveva 10 anni modificò il suo computer ABC 80 e costruì il suo organo elettrico. La forza trainante è sempre stata quella di capire e spiegare come funziona il mondo, ma anche di poter controllare processi ed eventi.

– Fondamentalmente sono un ingegnere e agli ingegneri piace creare cose. Ho fondato diverse società basate sulla ricerca, quindi, oltre ad essere un ricercatore, sono anche un imprenditore, dice.

Testo Ulrika Ernström
Ritratto di Johan Wingborg