非经典，非量子：概率计算创造了自己的利基

随着摩尔定律的接近尾声，随着组件接近单个原子的规模，开发人员必须与物理定律作斗争。在这一挑战中，工程师们的目标是利用量子、光学甚至生物设备来创造新型处理器，从而超越当今的计算机架构。

一种被称为概率计算的替代方法已经成为多个科学机构感兴趣的领域。概率计算保证了量子计算机在半导体硬件上运行时的理论性能，消除了屏蔽、冷却和可扩展性等主要挑战。

虽然传统计算机通过值为1或0的比特来表示数据，但概率计算机利用概率比特（p比特），概率比特自然能够在这两种状态之间波动。P比特不同于量子计算机比特，量子计算机比特可以同时在两种状态下叠加。

 

比特、p比特和量子位之间的差异说明。图片由普渡大学提供

 

本文评估了工程师在概率计算方面取得的成就，以及这项技术与传统和量子处理器的比较。

 

普渡概率计算机

在过去的几年里，普渡大学的研究人员一直在开发一种概率计算机，以比经典处理器更快、更有效地解决现实世界中的问题。

虽然量子计算技术面临着加密和药物研究等复杂挑战，但普渡大学团队认为，这些问题中的一部分可以使用p计算机解决。使用p计算机否定了对全新量子硬件基础设施的需求。

2019年，普渡大学的研究人员与日本东北大学的工程师合作，展示了p位计算机硬件如何解决因子分解问题，这通常被认为是量子计算的挑战。该团队得出结论，p位计算机比传统计算机更快、更有效地解决了这些问题。

 

普渡大学的研究人员正在设计一种概率计算机，以弥合经典计算和量子计算之间的差距。图片由Gwen Keraval/普渡大学提供

 

他们通过故意使磁阻随机存取存储器（MRAM）（通常用于存储数据）不稳定来制造设备。这种MRAM不稳定性使用磁体的取向及其对应于1或0的电阻状态有效地创建了自然波动的p位。

从那时起，研究人员使用亚马逊网络服务等商业技术来模拟概率计算机的功能，该计算机具有数千个互连的p位，而无需专门的硬件。

 

破解P位背后的数学

为了为现实世界的应用构建概率硬件，工程师必须首先了解被称为磁性隧道结的微小磁体背后的数学原理，以及如何在复杂的计算机架构中使用它们，而不需要重新利用现成的电子设备。

从2019年开始，东北大学的工程师们继续与普渡大学进行p计算机研究，今年早些时候在《自然》杂志上发表了关于p位的新发现。

他们的论文包括对这些微小磁体在电流和磁场的影响下在状态之间波动时发生的热激活的数学描述。磁性隧道结是由两个磁性金属层组成的，这两个金属层由超薄绝缘体隔开，允许电子在这些层之间移动，并根据其自旋引起波动，这可以有效地用作概率处理器中的p位。

东北大学教授Shun Kanai解释说，他的团队已经通过实验阐明了在磁场引起的扰动下控制波动的“切换指数”。他们还公布了关于磁性隧道结中自旋转移力矩的新信息，为工程师实现这些设备开发用于概率计算机架构设计的p位奠定了数学基础。

 

半导体Ising计算机体系结构

普渡大学2019年p位研究团队的另一位工程师是Kerem Camsari，他现在是加州大学圣巴巴拉分校的助理教授。Camsari继续在概率计算方面进行研究，在Ising模型机方面取得了有希望的发现，这是一种基于物理系统的设备，能够解决复杂的优化问题。

Camsari的团队与意大利墨西拿大学的研究人员和加州大学旧金山分校教授John Martinis合作，后者是第一台实现量子霸权的量子计算机的团队负责人。研究人员共同调整了传统的晶体管技术，为一种新型稀疏伊辛机器开发了一种特定领域的架构。

 

优化问题可以表示为p比特的相互作用网络。图片由UCSB提供

 

利用现场可编程门阵列（FPGA）的特性，加州大学圣巴巴拉分校的研究人员展示了一种性能高出六个数量级的架构，其采样率比经典计算机优化算法快5到18倍。

尽管该团队还表明，使用现成的硬件可以实现构建概率计算机，但Camsari指出，集成度高得多的纳米设备可以加快p位通信，通过减少概率处理器做出智能决策所需的时间，有效地提高了计算能力。

他补充说，2019年普渡大学的初步发现，以及他在加州大学圣巴巴拉分校的最新工作等最新进展表明，如果工程师能够创建具有数百万个p位的概率计算机，他们就可以在解决复杂的优化和基于概率的决策问题方面取得有竞争力的性能。

 

概率计算机可能改变游戏环境

随着对更多计算能力的需求和摩尔定律的放缓，科学家和工程师不断研究替代计算技术和材料。尽管量子计算可能是其中最受欢迎的，但它仍然面临着尚未解决的重大量子物理挑战。

这就是为什么概率计算可能占据上风的原因。概率计算基于经典物理原理，对熟悉的材料进行了全新的处理。概率计算使工程师能够处理复杂的优化、加密和药物研究问题，这些问题比任何量子技术都要早得多，使用传统计算机无法解决。