Reti Neurali Solitoniche: Un Innovativo Network Neurale Fotonico Basato su Interconnessioni Solitoniche

Questo libro raccoglie materiale dalla mia ricerca scientifica, condotta durante i tre anni del mio percorso di dottorato (2019–2022) presso il Dipartimento di Scienze di Base e Applicate per l’Ingegneria della Sapienza Università di Roma (Italia) in collaborazione con l’Istituto Femto-ST di Besançon (Francia). Viene presentata una tecnologia ottica innovativa in grado di riprodurre una pro- prietà chiave del tessuto neurale biologico: la plasticità neurale dell’apprendimento. L’hardware proposto è realizzato attraverso i solitoni spaziali, che consentono la co- struzione di connessioni intelligenti, per la realizzazione di reti neurali solitoniche (SNNs). A differenza delle reti software e degli hardware neuromorfi sviluppati fino ad oggi, che si focalizzano prevalentemente sulla trasmissione di segnali, le SNNs co- stituiscono uno dei primi tentativi riusciti di riprodurre il complesso funzionamento dell’intero tessuto neurale. Viene realizzato un intero ambiente che evolve. Il Capitolo 1 si apre con un’introduzione sulla struttura delle reti biologiche. In prima battuta, il Capitolo descrive in modo dettagliato le caratteristiche funzionali del singolo neurone, l’unità fondamentale del sistema nervoso. Una seconda parte poi è dedicata alle interconnessioni sinaptiche tra neuroni, che sono fondamentali per la realizzazione di reti complesse in grado di elaborare e memorizzare infor- mazioni. Queste sono infatti registrate all’interno di specifici percorsi neurali, che possono essere rafforzati, modificati o eliminati. Infine, vengono discusse alcune proprietà che aiutano a rendere unico il cervello biologico. In particolare, viene presentata la neuroplasticità, proprietà che consente a tutto il sistema nervoso di essere dinamicamente interconnesso. Nel Capitolo 2, vengono introdotte le tecnologie ottiche neuromorfe sviluppate fino ad oggi. Queste sono classificate in tre paradigmi basati sulla funzionalità neu- rale preso come modello. Il terzo paradigma introduce la novità delle reti costruite attraverso solitoni spaziali. Il libro affronta anche i concetti di apprendimento e di memoria. La memoria biologica è ancora per noi un grande mistero, ma la neuropsicologia moderna è riuscita a delineare alcune caratteristiche fondamentali, che vengono presentate in una forma essenziale ma funzionale agli scopi del testo, nel Capitolo 3. Il Capitolo 4 entra nel cuore delle reti SNN in particolare descrivendo la loro unità fondamentale, il neurone solitonico. Per prima cosa, viene analizzata la fisica alla base della formazione del solitone spaziale, dapprima all’interno di cristalli bulk fotorifrattivi e poi all’interno di film sottili. Questi consentono di superare alcuni limiti fisici in termini di calcolo e di agevolare la realizzazione sperimentale. Viene presentata la dinamica del suo apprendimento sia da un punto di vista teorico che sperimentale. Contestualmente ai due tipi di apprendimento, supervisionato e non supervisio- nato, viene descritta la fisica alla base della formazione di solitoni spaziali all’inter- no dei cristalli non-lineari LiNbO3. La connessione tra più unità di neuroni solitonici porta alla realizzazione di reti neurali complesse. Queste vengono descritte ampiamente nel Capitolo 4. La loro capacità di agire come memoria episodica e di eseguire il riconoscimento è presen- tata. Questo capitolo si chiude con una sezione che evidenzia le attuali limitazioni delle SNNs e discute alcune idee che sono attualmente in considerazione per far avanzare la loro evoluzione. Questo libro è rivolto principalmente a studenti di dottorato e ricercatori che hanno nozioni di ottica non lineare. Saranno necessarie anche nozioni di base di biologia dei neuroni e Intelligenza Artificiale. Tuttavia, anche il lettore meno esper- to troverà una descrizione dettagliata che aiuterà a comprendere pienamente. La curiosità è l’unico vero requisito. Dove il testo non riesce a fornire informazioni di base adeguate, vengono suggeriti riferimenti appropriati. Colgo l’occasione per chiedere allo stato italiano una considerazione maggiore per la ricerca. Per troppi anni, la ricerca è stata messa in secondo piano. I ricercato- ri italiani lavorano con risorse che sono estremamente limitate e ricevono stipendi significativamente inferiori rispetto ai loro colleghi non italiani. Deve quindi esse- re dato più merito alla ricerca, garantendo così una rapida crescita da cui l’intera nazione trarrà beneficio.