非經典、非量子：什么是概率計算機？
2022-11-14 12:41:30 EETOP編譯一種稱為概率計算的替代方法已成為多個科學機構感興趣的領域。概率計算保證了量子計算機在半導體硬件上運行時的理論性能，消除了屏蔽、冷卻和可擴展性等重大挑戰。
雖然傳統計算機通過值為 1 或 0 的位來表示數據，但概率計算機使用自然能夠在這兩種狀態之間波動的概率位（p-bit ）。P-BIT 與量子計算機位 (qubits) 不同，后者可以同時疊加在兩種狀態下。
本文評估了工程師在概率計算方面取得的成就，以及該技術與傳統和量子處理器的比較。
在過去的幾年里，普渡大學的研究人員一直在開發一種概率計算機，以比傳統處理器更快、更有效地解決現實世界的問題。
雖然量子計算技術的任務是應對加密和藥物研究等復雜挑戰，但普渡大學團隊認為，這些問題的一部分可以使用 p 計算機解決。使用 p 計算機不需要一個全新的量子硬件基礎設施。
2019 年，普渡大學的研究人員與日本東北大學的工程師合作，展示了 p-bit 計算機硬件如何解決因式分解問題，這通常被認為是量子計算的挑戰。該團隊得出結論，p-bit計算機比傳統計算機更快、更有效地解決了這些問題。
普渡大學的研究人員正在設計一種概率計算機，以彌合經典計算和量子計算之間的差距。圖片由 Gwen Keraval/普渡大學提供
他們通過故意使磁阻隨機存取存儲器(MRAM)（通常用于存儲數據）不穩定來構建他們的設備。這種 MRAM 不穩定性利用磁體的方向及其對應于 1 或 0 的電阻狀態有效地創建了自然波動的 p-bit 。
從那時起，研究人員使用亞馬遜網絡服務等商業技術來模擬具有數千個互連 p-bit 的概率計算機的功能，而無需專門的硬件。
要為實際應用構建概率硬件，工程師必須首先了解稱為磁性隧道結的微小磁鐵背后的數學原理，以及如何在復雜的計算機架構中使用它們，而無需重新利用現成的電子設備。
東北大學的工程師從 2019 年繼續與普渡大學進行 p 計算機研究， 今年早些時候在 Nature上發表了關于 p-bit 的新發現。
他們的論文包括對這些微小磁鐵在電流和磁場的影響下在狀態之間波動時發生的熱激活 的數學描述。磁性隧道結由兩個由超薄絕緣體隔開的磁性金屬層構成，允許電子在這些層之間移動并根據它們的自旋引起波動，這可以有效地用作概率處理器中的 p-bit 。
東北大學教授 Shun Kanai 解釋說，他的團隊已經通過實驗闡明了控制磁場擾動下波動的“開關指數”。他們還公布了有關磁性隧道結中的自旋轉移矩的新信息，為工程師提供了實現這些設備以開發用于概率計算機架構設計的 p-bit 的數學基礎。
來自 2019 年 p-bit 研究團隊的另一位普渡工程師是 Kerem Camsari，現在是加州大學圣巴巴拉分校的助理教授。Camsari 繼續他在概率計算方面的研究，在Ising 模型機（能夠解決復雜優化問題的基于物理系統的設備）方面取得了可喜的發現。
Camsari 的團隊與意大利墨西拿大學的研究人員以及第一臺實現量子霸權的量子計算機背后的團隊負責人 UCSB 教授 John Martinis 合作。研究人員一起采用了傳統的晶體管技術，為新型稀疏伊辛機開發了特定領域的架構。
利用現場可編程門陣列(FPGA) 的特性，來自UCSB 的研究人員展示了一種性能高出 6 個數量級的架構，其采樣率比 經典計算機優化算法快 5 到 18 倍。
盡管該團隊還表明可以使用現成的硬件來構建概率計算機，但Camsari 指出，具有更高集成度的芯片可以加速 p-bit 通信，通過減少概率計算所需的時間來有效地提高計算能力。處理器做出明智的決定。
他補充說，早在 2019 年普渡大學的初步調查結果，以及他在 UCSB 的最新工作等最新進展表明，如果工程師能夠創建具有數百萬 p-bit 的概率計算機，他們就可以在處理復雜優化方面取得有競爭力的表現和基于概率的決策問題。
隨著對更多計算能力的需求以及摩爾定律的放緩，科學家和工程師不斷研究替代計算技術和材料。盡管量子計算可能是其中最受歡迎的，但它仍然表現出尚未解決的主要量子物理挑戰。
這就是為什么以經典物理學原理為基礎的概率計算，對熟悉的材料提供令人耳目一新的體驗，可能會占上風。概率計算使工程師能夠比任何量子技術更早地處理使用傳統計算機無法解決的復雜優化、加密和藥物研究問題。
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