技经观察丨概率计算——向量子计算过渡的中间方案

量子计算机基于量子比特（又称“量子位”）执行运算任务，在解决多体问题、路径规划问题等复杂问题方面相较经典计算机有巨大优势。但是，由于量子计算需要通过昂贵的实验设备构建，且在低温操作、相干时间控制、容错等方面仍面临巨大挑战，仍需经历较长的发展阶段。在此背景下，研究人员基于电子集成电路开发出具有概率比特（又称“概率位”）的概率计算机，并将其视作向量子计算过渡的中间方案。这种计算机通过对概率的数值运算进行问题求解，在解决非线性规划、多体系统问题方面具有性能优势，且能在常温条件下运行，因此更加接近实用。

二、概率计算机的实现方式

目前，研究人员提出了两种构建概率计算机的方式，分别是通过传统电路与随机数生成器，以及通过专用硬件设备。

（一）通过传统电路与随机数生成器实现概率计算

由于集成电路中的晶体管都是基于确定性而制造，很难自然产生随机的不确定性，因此需要通过算法生成伪随机序列来实现概率位。

日本富士通公司正使用普通硬件结合随机数生成器构建概率计算机，以模拟概率位翻转。随后，使用电子自旋的伊辛模型（Ising model）和退火（Annealing）算法来实现非线性规划功能。退火算法受到自然系统总是趋于向最低能量状态演化这一规律的启发，通过模拟自然系统的自演化来处理信息。算法终止时的当前解即为所得近似最优解。因此，只要能将组合优化问题翻译成伊辛模型问题，然后通过退火算法求出伊辛模型的最优解，再将结果反向翻译的系统，就能得到用来解决组合优化问题的新型计算机。这种方法的缺点是功耗较高。2020年4月，日本东京工业大学、日立公司、北海道大学和东京大学研究人员开发出随机元细胞自动机退火器架构（Stochastic Cellular Automata Annealer Architecture，STATICA），也采取了类似的构建原理。

（二）开发专用硬件设备

由于概率运算依赖于概率位的随机性，因此研究人员尝试通过本身具有随机性的器件来构建概率计算机。这也是目前全球研究人员不断尝试攻克的重要方向。

第一种方法是利用铁磁体中的磁隧道结（Magnetic Tunneling Junction，MTJ）。磁性隧道结的电阻取决于其磁性状态，且不稳定，它在两个磁态之间快速翻转，导致其电阻在两个值之间不断变化，可用于创建概率位。早期的计算机使用磁隧道结构建磁芯存储器，但很难将磁存储器小型化，因为磁体越小越不稳定。研究人员正是利用了磁隧道结的不稳定性质，结合若干个晶体管来构建概率位。其中的一个晶体管由输入电压控制，其他的仅用于缓冲输出。2017年，美国普渡大学的苏普里约·达塔（Supriyo Datta）教授与加州大学圣芭芭拉分校的凯雷姆·坎萨里（Kerem Camsari）助理教授首次提出了使用设备的噪声与不确定性创建具有随机性的概率计算机，被认为是概率计算的先驱。2019年，在日本东北大学合作者的帮助下，达塔与坎萨里教授团队构建了一台具有8个概率位的概率计算机。通过找到特定的连接模式，并正确连接概率位，概率位电路将通过输出峰值信号的形式给出答案。通过这种方法构建的概率计算机比经典计算机上的优化算法快了6个数量级，并且采样速度提高了5-18倍，然而能耗降低了10倍、占用面积减小了100倍。此外，这种概率计算机也具有将概率位扩大到5000个的潜力，有望用于处理更复杂的问题。目前，中国北京航空航天大学的曾琅、曹凯华等研究人员也在进行类似的概率计算器件研究。

通过磁隧道结构建的概率位 （图片来源：IEEE Spectrum）

另一种构建概率计算机的方式利用了闪存设备的噪声和不确定性来模拟事件的随机性。美国佐治亚理工学院、英特尔和韩国科学技术高等研究院通过闪存中鳍式晶体管（FinFET）的固有时间噪声作为随机性的模拟源，替代了隧道结，在闪存中实现了概率计算机。

作者简介

唐乾琛 国务院发展研究中心国际技术经济研究所研究二室，三级分析员

研究方向：信息领域战略、技术和产业前沿

联系方式：[email protected]

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