INIZIATIVA SPECIFICA RM12 (ex RM5): Roma 1, Cagliari e Sanita'

Coordinatore: Giorgio Parisi

Consuntivo 1995 e Preventivo 1996

COMPOSIZIONE DEL GRUPPO

ROMA 1

• Daniel Amit ... Professore Ordinario 30% (anche in altra iniziativa specifica di gruppo V)
• Giorgio Parisi.. Prof.Ord... 100%
• Stefano Fusi ... Articolo 36 ... 50% (anche in gruppo V)
• Nicolas Brunel ..... Borsista CEE ..... 30% (anche in gruppo V)
• Jean Dean ..... Borsista CEE ..... 100%
• Giulia Iori ..... Post-Doc ..... 100%
• David Lancaster...Borsista CEE ..... 100%
• N. Brunel..... Borsista CEE ..... 100%
• Marc Potters.....Borsista CEE ..... 100%
• Juan Ruiz....... Borsa Spagnola .. 100%
• Marco Ferrero ... Dottorando di Ricerca ... 100%
• Paola Ranieri ... Dottoranda di Ricerca ... 100%
• Francesco Russo ... Dottorando di Ricerca ... 100%
• Speriamo che durante l'anno rientri Silvio Franz (adesso post-doc a Copenhagen).

Lavorano con il gruppo sistemi complessi a Roma 1 anche circa 7 laureandi.

CAGLIARI

• Enzo Marinari ... Professore Straordinario ..... 100%
• Paolo Carta ... Dottorando di Ricerca ... 100%
• Carla Naitza ... Dottoranda di Ricerca ... 100%

Anche a Cagliari alcuni laureandi stanno cominciando a lavorare su tematiche relative ai sistemi complessi.

ISTITUTO SUPERIORE DI SANITA'

• Alessandro Campa....ricercatore - laboratorio di fisica ... 50%
• Paolo Del Giudice...ricercatore - laboratorio di fisica ... 50%

COLLABORATORI ESTERNI DEL GRUPPO SISTEMI COMPLESSI

Indichiamo qui alcuni dei collaboratori esterni con i quali stiamo interagendo maggiormente.

• Jean Philippe Bouchaud, Saclay, Parigi.
• Berndt Bruegmann, MPI Berlino.
• Raffaella Burioni, Ecole Normale Superieure, Parigi.
• Leticia Cugliandolo, Saclay, Parigi.
• Jorge Kurchan, Ecole Normale Superieure, Parigi.
• Marc Mezard, Ecole Normale Superieure, Parigi.
• Remi Monasson, Ecole Normale Superieure, Parigi.
• Jean Pier Nadal, Ecole Normale Superieure, Parigi.
• Nestor Parga, Universita' Autonoma di Madrid.
• Felix Ritort, Universita' Carlos 3, Madrid.
• M. Tsodyks, Universita' di Gerusalemme.

RICHIESTE FINANZIARIE 1996

RICHIESTA TOTALE: 42.5 milioni di lire.

ASSEGNAZIONE 1995: 36.0 milioni di lire.

ROMA 1

CAPITOLO: 1.02.060 (Missioni Italia) ... 2.5

CAPITOLO: 1.02.061 (Scambi Internazionali) ... 8.0

CAPITOLO: 1.02.070 (Missioni Estero) ... 16.0

Roma 1 chiede la stessa somma richiesta nel 1995.

CAGLIARI

CAPITOLO: 1.02.060 (Missioni Italia) ... 4.0

CAPITOLO: 1.02.061 (Scambi Internazionali) ... 2.0

CAPITOLO: 1.02.070 (Missioni Estero) ... 4.0

Cagliari chiede la stessa somma ottenuta nel 1995.

ISTITUTO SUPERIORE DI SANITA'

CAPITOLO: 1.02.061 (Scambi Internazionali) ... 3.0

CAPITOLO: 1.02.070 (Missioni Estero) ... 3.0

La richiesta del gruppo dell'ISS e' maggiore di quella dello scorso anno a causa dell'ampliamento della collaborazione durante il 1994 (J.P. Nadal) e del conseguente prevedibile aumento delle esigenze per missioni.

CONSUNTIVO SCIENTIFICO

1. Teoria di Campo di Sistemi Disordinati e Correzioni alla Teoria di Campo Medio.

   Uno dei punti di grande interesse fondamentale e' cercare di capire quale sia realmente il comportamento di sistemi disordinati in dimensione finita. Quante delle eccezionali caratteristiche della soluzione di campo medio (con una rottura continua della simmetria delle repliche, molti stati di equilibrio non legati da simmetria ed una struttura ultrametrica) si riflettono, per esempio, nel caso fisico di uno spazio tridimensionale? Abbiamo usato sia tecniche analitiche (cercando di costruire la teoria dei campi del sistema, un compito arduo" si veda per esempio l'approccio dinamico di Ranieri), sia simulazioni numeriche (come per esempio nello studio del caso 4d della Coluzzi).

2. Dinamica di Sistemi Disordinati.

   Lo studio della dinamica di sistemi disordinati ha avuto nell'ultimo anno un fortissimo sviluppo. Anche qui forti motivazioni di tipo teorico (convergenza alla misura di equilibrio di dinamica di sistemi di campi in presenza di disordine) si lega a questioni rilevanti dal punto di vista sperimentale (fenomeni tipo aging). Molti dei lavori contenuti nella lista delle pubblicazioni allegata riguardano questa tematica tanto rilevante. Cugliandolo, Kurchan e Parisi hanno studiato l'aging in teorie di campo statistiche senza disordine (perche' una forma di aging esiste anche li'), Migliorini e Ritort hanno studiato il comportamento dinamico del modello di Bernasconi, Parisi ha discusso in generale le dinamiche lente nei sistemi amorfi. Dinamiche di sistemi senza disordine sono state studiate da Fernandez, Marinari e Ruiz (per il modello di Ising in 3d).

3. Teoria delle Transizioni di Fase nei Sistemi Disordinati e della Transizione Vetrosa.

   Un altro punto di grande interesse e' stato il tentativo di comprensione della struttura della transizione verso sistemi vetrosi. Si sono studiati soprattutto sistemi di tipo Random Energy Model, e teorie di campo che, pur non coinvolgendo variabili aleatorie congelate, transiscono a basse temperature verso una fase disordinata. Ricordiamo qui dalla lista delle pubblicazioni i lavori di Marinari, Parisi e Ritort, e di Cugliandolo, De Santis, Franz, Kurchan, Monasson, Potters.

4. Teorie di Gauge sul Reticolo.

   Alcuni contributi sono stati ottenuti nel campo delle Teorie di Gauge sul Reticolo, in collaborazione con ricercatori INFN della sezione di roma 1. Marinari, Paciello, Parisi e Taglienti hanno derivato un nuovo algoritmo per calcolare la tensione della corda (ancora non pubblicato). E' stata anche scritta una rassegna di risultati sui calcoli della tensione della corda.

5. Meccanica Statistica e Gruppo di Rinormalizzazione.

   Fernandez, Muonz, Ruiz e Tarancon hanno studiato applicazioni del gruppo di rinormalizzazione a teorie di campo reticolari.

6. Varieta' Aleatorie e Gravita' Quantistica.

   Bruegmann e Marinari hanno continuato uno studio numerico di problemi collegati alla dinamica di varieta' aleatorie quadri-dimensionali (che potrebbe essere connessa alla descrizione della Gravita' Quantistica).

7. Complessita'.

   Contributi generali all'analisi di questioni collegate alla complessita' sono state presentate da Parisi. Sono fra l'altro state discusse in dettaglio le connessioni con problemi biologici. Citiamo qui anche i contributi sulla struttura del sistema immunitario.

8. Reti Neurali.

   Lo studio di reti neurali che imparano e' continuato su due linee: da una parte l'investigazione dei modelli teorici che permettono la creazione di rappresentazioni interne di caratteristiche statistiche in un flusso libero di stimoli esterni; dall'altra l'implementazione elettronica degli insegnamenti appresi dai modelli. La parte hardware del progetto e' passata dall'essere un componente del progetto nazionale INFN ANNETTHE ad un progetto indipendente Roma 1 - Roma 2 - Sanita'.

   Per quel che riguarda le reti neurali dal punto di vista teorico il gruppo di Roma 1 ha stabilito che un apprendimento non supervisionato delle rappresentazioni dell'attrattore deve essere essenzialmente stocastico. Questa lezione era gia' implementata in elettronica, nella prima fase del progetto hardware. La rete pienamente connessa di 27 neuroni e' stata implementata in elettronica a componenti discreti. Essa e' stata sottoposta a molte prove. Si aspetta per la sua prova esaustiva, il completamento dell'interfaccia programmata.

   Quello che abbiamo imparato dalla prima rete hardware, e' stato che la rete deve essere capace di distinguere tra un intervallo nel quale uno stimolo sia presente e quando esprime la rappresentazione per mezzo di una dinamica di attrattore autonomo. Questo implica il ruolo centrale dell'elemento analogico neurale. Abbiamo quindi studiato la funzione dell'attrattore con neuroni analogici e mostrato che essi possono esprimere spazialmente le correlazioni temporali in un flusso di stimoli. Inoltre, abbiamo anche mostrato che la dinamica di una tale rete puo' essere pienamente analizzata e cofrontata con l'esperimento.

   Una rete pilota di neuroni analogici e' stata implementata a Roma 2 su un chip di silicio, come risulta dalla tesi di laurea di Stefano Bertazzoni. Che questa rete con neuroni analogici puo' effettivamente imparare e' stato dimostrato da Amit e Brunel. Inoltre abbiamo imparato dall'hardware che e' irrealistico aspettarsi che l'elemento stocastico, che porta a basse probabilita' di transizioni sinaptiche, sia localizzato nella sinapsi. Esso richiede una memoria troppo grande. E' stata idea di Fusi che questa stocasticita' potrebbe anche essere collettiva e distribuita nell'intera rete, se l'elemento neurale fosse impulsato. Gli elementi di una rete impulsante sono stati costruiti con generatori di corrente che usano i MOSFET che operano al disotto della saturazione, come trattato nella tesi di laurea di Annunziato. Si sta simulando, insieme a Brunel, Fusi, D'Ottavi, l'operazione di una rete con questi nuovi elementi.

   Presso l'ISS e' stato svolto lo studio analitico delle proprieta' di una rete neuronale con neuroni lineari, che sia ottimale dal punto di vista della informazione input-output trasmessa, nel caso di una statistica gaussiana dei segnali in input alla rete. In particolare e' stata svolta una analisi di stabilita' delle configurazioni sinaptiche ottimali. E' stato ricavato in dettaglio il legame tra le configurazioni sinaptiche ottimali e l'estrazione delle componenti principali della distribuzione di input.

   Oltre ai contributi del gruppo dell'ISS e di quello diretto da Daniel Amit citiamo l'uso di idee connesse alla rottura della simmetria delle repliche fatto da Monasson e O'Kane, i contributi di Parisi e di Monasson e Zecchina.

9. La Transizione di Super-Roughening.

   Marinari, Monasson e Ruiz hanno discusso la possibile esistenza, in modelli che possono descrivere ad esempio vortici superconduttori, di una fase 'super-rough', cioe' con funzioni di correlazione che si comportano come Log(r) al quadrato.

10. Altri Modelli di Teoria dei Campi con Disordine.

    Mezard e Monasson e Lancaster, Marinari e Parisi hanno discusso il modello di Ising in campo magnetico aleatorio.

11. Meccanica Statistica e Modellizzazioni in Sistemi Economici.

    Miguel Virasoro ha discusso le Aspettative Razionali in un Modello con Inflazione, utilizzando metodi propri della fisica teorica.

LAVORI COMPLETATI o PUBBLICATI nel periodo dal 1-6-94 al 31-5-95:

• Remi Monasson and Dominic O'Kane, Domains of Solutions and Replica Symmetry Breaking in Multilayer Neural Networks , (June 1994).

• M. A. Virasoro, On Rational Expectations in a Model of Inflaction (June 1994).

• Marc Mezard and Remi Monasson, Glassy Transition in the 3d Random Field Ising Model, cond-mat/9406013 (June 1994).

• Leticia Cugliandolo, Jorge Kurchan and Giorgio Parisi, Off-Equilibrium Dynamics and Aging in Unfrustrated Systems, cond-mat/9406053 (June 1994).

• Enzo Marinari, Giorgio Parisi and Felix Ritort, Replica Field Theory for Deterministic Models (II): A Non-Random Spin Glass with Glassy Behavior, cond-mat/9406074, J. Phys. A 27 (1994) 7647.

• Antonio Fernandez, Antonio Munoz, Juan J. Ruiz-Lorenzo and Alfonso Tarancon A Proposal of a Renormalization Group Transformation for Lattice Field Theories, hep-lat/9406011 (June 1994).

• Leticia Cugliandolo, Jorge Kurchan, Giorgio Parisi and Felix Ritort, Matrix Models as Solvable Glass Models , cond-mat/9407086, Phys. Rev. Lett. 74 (1995) 1012.

• Giorgio Parisi, D-Dimensional Arrays of Josephson Junctions, Spin Glasses and q-Deformed Harmonic Oscillators (July 1994).

• Gabriele Migliorini and Felix Ritort, Dynamical Behavior of Low Autocorrelation Models , cond-mat 9407105, J. Phys. A 27 (1994) 7669.

• Andrea Baldassarri, Leticia Cugliandolo, Jorge Kurchan and Giorgio Parisi, On the out of Equilibrium Order Parameter in Long-Range Spin-Glasses , cond-mat/9409119 (September 1994).

• Enzo Marinari, Giorgio Parisi and Felix Ritort, The Fully Frustrated Hypercubic Model is Glassy and Aging at large D, cond-mat/9410089, J. Phys. A 28 (1995) 327.

• Barbara Coluzzi, Numerical Simulations of the 4d Heisenberg Spin Glass, cond-mat/9410053 (October 1994).

• Emilio De Santis, Giorgio Parisi and Felix Ritort, On the Static and Dynamical Transition in the Mean Field Potts Glass, cond-mat/9410093 (October 1994).

• Matteo Campellone, Some Non-Perturbative Calculations on Spin Glasses, cond-mat/9410107 (October 1994).

• Bernd Bruegmann and Enzo Marinari, More on the Exponential Bound of Four Dimensional Quantum Gravity, hep-th/9411060 (November 1994).

• Giorgio Parisi, Gauge Theories, Spin Glasses and Real Glasses, cond-mat/9411115 (November 1994).

• Giorgio Parisi, On the Replica Approach to Spin Glass, cond-mat/9412004 (December 1994).

• Giorgio Parisi, Complexity in Biology: the Point of View of a Physicist, cond-mat/9412018 (December 1994).

• Luis Fernandez, Enzo Marinari and Juan Ruiz-Lorenzo Tempering Dynamics and Relaxation Times in the 3D Ising Model, cond-mat/9412020 (December 1994).

• Giorgio Parisi, Attractor Neural Networks , cond-mat/9412030 (December 1994).

• Giorgio Parisi, Slow Dynamics in Glasses , cond-mat/9412034 (December 1994).

• David Lancaster, Enzo Marinari and Giorgio Parisi, Weighted Mean Field Theory for the Random Field Ising Model , cond-mat/9412069 (December 1994).

• Giorgio Parisi, On the Statistical Properties of the Large Time Zero Temperature Dynamics of the SK Model , cond-mat/9501045 (January 1995).

• Giorgio Parisi, An Introduction to the Immune Network , cond-mat/9501046 (January 1995).

• Remi Monasson and Riccardo Zecchina, Weight Space Structure and Internal Representations: a Direct Approach to Learning and Generalization in Multilayer Neural Networks , cond-mat/9501082 (January 1995).

• Paolo Biscari and Giorgio Parisi, Replica Symmetry Breaking in the Random Replicant Model , cond-mat/9501137 (January 1995).

• Enzo Marinari, Giorgio Parisi and Felix Ritort Replica Theory and Large D Josephson Junction Hypercubic Models, cond-mat/9502067 (February 1995).

• Giorgio Parisi and Marc Potters, Mean-Field Equations for Spin Models with Orthogonal Interaction Matrices , cond-mat/9503009 (March 1995).

• Giorgio Parisi and Juan Ruiz-Lorenzo, On the Four-Dimensional Diluted Ising Model , cond-mat/9503016 (March 1995).

• Enzo Marinari, Remi Monasson and Juan Ruiz-Lorenzo, How (Super) Rough is the Glassy Phase of a Crystalline Surface with a Disordered Substrate?, cond-mat/9503074 (March 1995).

• Paola Ranieri, Dynamic Fluctuations in a Short Range Spin Glass Model , (March 1995).

• Jean Philippe Bouchaud, Marc Mezard and Giorgio Parisi, Scaling and Intermittency in Burgers Turbulence , cond-mat/9503144 (March 1995).

• Enzo Marinari, Maria Luigia Paciello and Bruno Taglienti, The String Tension in Gauge Theories, hep-lat/9503027 (March 1995).

• Remi Monasson, The Structural Glass Transition and the Entropy of the Metastable States, cond-mat/9503166 (March 1995).

• Silvio Franz and Giorgio Parisi, Recipes for metastable states in Spin Glasses, cond-mat/9503167 (March 1995).

• Bernd Bruegmann and Enzo Marinari, Monte Carlo Simulations of 4d Simplicial Quantum Gravity, contribution to the special issue of the Journal of Mathematical Physics on Quantum Geometry and Diffeomorphism-Invariant Quantum Field Theory, edited by Carlo Rovelli and Lee Smolin, hep-lat/9504004 (April 1995).

• Giorgio Parisi and Marc Potters, On the Number of Metastable States in Spin Glasses , cond-mat/9506049 (June 1995).

• Leticia Cugliandolo, Jorge Kurchan, Remi Monasson and Giorgio Parisi, A Mean-Field Hard-Spheres Model of Glass , cond-mat/9506054 (June 1995).

• A. Campa, P. Del Giudice, J.-P. Nadal and N. Parga, Neural networks as optimal information processors, Int. J. Mod. Phys. C5 (1994) 855.

• A. Campa, P. Del Giudice and N. Parga, Noisy information transmisssion in a linear neural network: a stability analysis, Int. J. Neur. Syst., in press.

• A. Campa, P. Del Giudice, N. Parga and J.-P. Nadal, Maximization of mutual information in a linear noisy network: a detailed study, preprint ISS-INFN 95/3, to appear in Network: Computation in neural systems.

• D.J. Amit, N. Brunel and M.V. Tsodyks, Correlations of Hebbian reveberations: theory vs experiment, Jour. Neurosci. 14 (1994) 6435.

• N. Brunel, Dynamics of an attractor neural network converting temporal into spatial correlations, NETWORK 5 (1994).

• D. J. Amit, The Hebbian paradigm reintegrated: Local reverberations as internal representations, Behavioural and Brain Sciences, Dec (1995).

• D. J. Amit, N. Brunel Learning internal representations in an attractor neural network with analogue neuronss, NETWORK 6 (1995).

• D. Badoni, S. Bertazzoni, S. Buglioni, G. Salina, D. J. Amit and S. Fusi, Electronic implementation of an analog attractor nneural network with stochastic learnings, NETWORK 6 (1995) 125.

• F. Battaglia and S. Fusi, Learning in neural networks with partially structured synaptic transitionss, NETWORK 6 (1995) 261.

• D.J. Amit and N. Brunel, Global spontaneous activity and local structured (learned) delay activity in cortesx, to be published (1994).

• D.J. Amit, Persistent delay activity in cortex: a galilean phase in neuro-physiology?s NETWORK 5 (1994) 429.

CONSUNTIVO FINANZIARIO PARZIALE:

ROMA 1

CAPITOLO: 102060 (Missioni Estero) ... ASSEGNATI: 2.0 SPESI: 1.2 RESIDUO: 0.8

CAPITOLO: 102061 (Scambi Internazionali) ... ASSEGNATI: 4.0 SPESI: 0.0 RESIDUO: 4.0

Abbiamo destinato questa somma ad inviti previsti per l'autunno. Abbiamo coperto su altri fondi le visite avute sinora.

CAPITOLO: 102070 (Missioni Estero) ... ASSEGNATI: 16.0 SPESI: 13.7 RESIDUO: 2.3

Qui la situazione e' difficile, e speriamo di cavarcela.

CAGLIARI

Siccome i fondi assegnati a Cagliari non sono ancora stati elargiti (si e' trattato di una richiesta in corso d'anno, dovuta alla creazione di un nuovo gruppo, in seguito al trasferimento di Marinari), gli stessi fondi non sono stati ancora spesi (se non per via di prestiti da rimborsare). Li giustificheremo in dettaglio nel consuntivo a fine d'anno.

ISTITUTO SUPERIORE DI SANITA'

CAPITOLO: 102061 (Scambi Internazionali) ... ASSEGNATI: 2.0 SPESI: 0.0 RESIDUO: 2.0

(e' previsto un soggiorno di N. Parga presso la Sezione Sanita' nell'autunno 1995)

CAPITOLO: 102070 (Missioni Estero) ... ASSEGNATI: 2.0 SPESI: 2.0 RESIDUO: 0.0

(viaggio di A. Campa e P. Del Giudice a Parigi presso l'Ecole Normale)

Il gruppo ISS e' intenzionato a chiedere una integrazione per il 1995 per una missione a Madrid (circa 2 ML)

PROGRAMMA DI LAVORO PER L'ANNO 1996

1. Teoria di Campo di Sistemi Disordinati e Correzioni alla Teoria di Campo Medio.

   Stiamo cercando di comprendere questo punto in dettaglio, sia con calcoli analitici che tendono ad un buon livello di completezza (si tratta di calcoli estremamente complicati!), sia con simulazioni numeriche anche di gradissima taglia (con l'uso di APE).

2. Dinamica di Sistemi Disordinati.

   Stiamo fra l'altro introducendo nuove tecniche analitiche (basate sullo sviluppo in serie delle funzioni di correlazione).

3. Teoria delle Transizioni di Fase nei Sistemi Disordinati e della Transizione Vetrosa.

   Anche qui speriamo di portare il nostro trattamento ad un buon livello di completezza.

4. Teorie di Gauge sul Reticolo .

   Pensiamo di continuare lo studio di algoritmi efficienti (ad esempio per il calcolo di funzioni di Green fermioniche), e lo studio di QCD accoppiata a variabili fermioniche.

5. Varieta' Aleatorie e Gravita' Quantistica.

   Pensiamo di approfondire lo studio dei collegamenti fra varieta' aleatorie e sistemi complessi.

6. Reti Neurali.

   Pensiamo di effettuare simulazioni numeriche che permettano di analizzare situazioni in cui la forma della funzione di trasferimento o la distribuzione statistica dei dati di input non permette uno studio analitico. Appare interessante esaminare il comportamento della rete rispetto ad input la cui statistica riproduca almeno in parte quella misurata recentemente per immagini naturali.

7. La Transizione di Super-Roughening.

   Stiamo ottenendo una serie di risultati che riguardano sia problemi dinamici, tipo aging, che problemi collegati all'universalita' dei risultati ottenuti.

8. Altri Modelli di Teoria dei Campi con Disordine.

   Stiamo fra l'altro completando degli studi del modello di Ising in campo magnetico aleatorio.

Giorgio Parisi