非經(jīng)典、非量子：什么是概率計(jì)算機(jī)？
2022-11-14 12:41:30 EETOP編譯一種稱為概率計(jì)算的替代方法已成為多個科學(xué)機(jī)構(gòu)感興趣的領(lǐng)域。概率計(jì)算保證了量子計(jì)算機(jī)在半導(dǎo)體硬件上運(yùn)行時(shí)的理論性能，消除了屏蔽、冷卻和可擴(kuò)展性等重大挑戰(zhàn)。
雖然傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)通過值為 1 或 0 的位來表示數(shù)據(jù)，但概率計(jì)算機(jī)使用自然能夠在這兩種狀態(tài)之間波動的概率位（p-bit ）。P-BIT 與量子計(jì)算機(jī)位 (qubits) 不同，后者可以同時(shí)疊加在兩種狀態(tài)下。
本文評估了工程師在概率計(jì)算方面取得的成就，以及該技術(shù)與傳統(tǒng)和量子處理器的比較。
在過去的幾年里，普渡大學(xué)的研究人員一直在開發(fā)一種概率計(jì)算機(jī)，以比傳統(tǒng)處理器更快、更有效地解決現(xiàn)實(shí)世界的問題。
雖然量子計(jì)算技術(shù)的任務(wù)是應(yīng)對加密和藥物研究等復(fù)雜挑戰(zhàn)，但普渡大學(xué)團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這些問題的一部分可以使用 p 計(jì)算機(jī)解決。使用 p 計(jì)算機(jī)不需要一個全新的量子硬件基礎(chǔ)設(shè)施。
2019 年，普渡大學(xué)的研究人員與日本東北大學(xué)的工程師合作，展示了 p-bit 計(jì)算機(jī)硬件如何解決因式分解問題，這通常被認(rèn)為是量子計(jì)算的挑戰(zhàn)。該團(tuán)隊(duì)得出結(jié)論，p-bit計(jì)算機(jī)比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更快、更有效地解決了這些問題。
普渡大學(xué)的研究人員正在設(shè)計(jì)一種概率計(jì)算機(jī)，以彌合經(jīng)典計(jì)算和量子計(jì)算之間的差距。圖片由 Gwen Keraval/普渡大學(xué)提供
他們通過故意使磁阻隨機(jī)存取存儲器(MRAM)（通常用于存儲數(shù)據(jù)）不穩(wěn)定來構(gòu)建他們的設(shè)備。這種 MRAM 不穩(wěn)定性利用磁體的方向及其對應(yīng)于 1 或 0 的電阻狀態(tài)有效地創(chuàng)建了自然波動的 p-bit 。
從那時(shí)起，研究人員使用亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等商業(yè)技術(shù)來模擬具有數(shù)千個互連 p-bit 的概率計(jì)算機(jī)的功能，而無需專門的硬件。
要為實(shí)際應(yīng)用構(gòu)建概率硬件，工程師必須首先了解稱為磁性隧道結(jié)的微小磁鐵背后的數(shù)學(xué)原理，以及如何在復(fù)雜的計(jì)算機(jī)架構(gòu)中使用它們，而無需重新利用現(xiàn)成的電子設(shè)備。
東北大學(xué)的工程師從 2019 年繼續(xù)與普渡大學(xué)進(jìn)行 p 計(jì)算機(jī)研究， 今年早些時(shí)候在 Nature上發(fā)表了關(guān)于 p-bit 的新發(fā)現(xiàn)。
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(tài)之間波動時(shí)發(fā)生的熱激活 的數(shù)學(xué)描述。磁性隧道結(jié)由兩個由超薄絕緣體隔開的磁性金屬層構(gòu)成，允許電子在這些層之間移動并根據(jù)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(xué)教授 Shun Kanai 解釋說，他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)闡明了控制磁場擾動下波動的“開關(guān)指數(shù)”。他們還公布了有關(guān)磁性隧道結(jié)中的自旋轉(zhuǎn)移矩的新信息，為工程師提供了實(shí)現(xiàn)這些設(shè)備以開發(fā)用于概率計(jì)算機(jī)架構(gòu)設(shè)計(jì)的 p-bit 的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。
來自 2019 年 p-bit 研究團(tuán)隊(duì)的另一位普渡工程師是 Kerem Camsari，現(xiàn)在是加州大學(xué)圣巴巴拉分校的助理教授。Camsari 繼續(xù)他在概率計(jì)算方面的研究，在Ising 模型機(jī)（能夠解決復(fù)雜優(yōu)化問題的基于物理系統(tǒng)的設(shè)備）方面取得了可喜的發(fā)現(xiàn)。
Camsari 的團(tuán)隊(duì)與意大利墨西拿大學(xué)的研究人員以及第一臺實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)的量子計(jì)算機(jī)背后的團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人 UCSB 教授 John Martinis 合作。研究人員一起采用了傳統(tǒng)的晶體管技術(shù)，為新型稀疏伊辛機(jī)開發(fā)了特定領(lǐng)域的架構(gòu)。
利用現(xiàn)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(shù)量級的架構(gòu)，其采樣率比 經(jīng)典計(jì)算機(jī)優(yōu)化算法快 5 到 18 倍。
盡管該團(tuán)隊(duì)還表明可以使用現(xiàn)成的硬件來構(gòu)建概率計(jì)算機(jī)，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(jì)算所需的時(shí)間來有效地提高計(jì)算能力。處理器做出明智的決定。
他補(bǔ)充說，早在 2019 年普渡大學(xué)的初步調(diào)查結(jié)果，以及他在 UCSB 的最新工作等最新進(jìn)展表明，如果工程師能夠創(chuàng)建具有數(shù)百萬 p-bit 的概率計(jì)算機(jī)，他們就可以在處理復(fù)雜優(yōu)化方面取得有競爭力的表現(xiàn)和基于概率的決策問題。
隨著對更多計(jì)算能力的需求以及摩爾定律的放緩，科學(xué)家和工程師不斷研究替代計(jì)算技術(shù)和材料。盡管量子計(jì)算可能是其中最受歡迎的，但它仍然表現(xiàn)出尚未解決的主要量子物理挑戰(zhàn)。
這就是為什么以經(jīng)典物理學(xué)原理為基礎(chǔ)的概率計(jì)算，對熟悉的材料提供令人耳目一新的體驗(yàn)，可能會占上風(fēng)。概率計(jì)算使工程師能夠比任何量子技術(shù)更早地處理使用傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法解決的復(fù)雜優(yōu)化、加密和藥物研究問題。
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