等待量子计算?尝试概率计算

计算机科学家和工程师已经走上了一条有一天可能会导致重大转变的道路:从基于经典物理学的确定性计算系统，到利用量子物理学中怪异的概率规则的量子计算系统。许多评论人士指出，如果工程师们能够制造出实用的量子计算机，那么这种计算方式将发生结构性转变。

但这是一个很大的假设。

当然，量子计算机在理论上有很大的前景，但建造实用机器需要克服的障碍是巨大的。一些怀疑论者认为技术挑战是如此巨大，以至于在可预见的未来，通用量子计算机不太可能出现。其他人，包括工程师们正在非常努力地建造这些机器谷歌，IBM，英特尔等人则更为乐观，他们预计再过5年或10年的工作可能就足以让第一批实用的通用量子计算机上线。只有时间会告诉我们答案。

但是，即使整个量子计算事业的发展远远慢于其支持者的预期，有一件事似乎是确定的。量子计算已经激发了人们对概率在计算系统中的作用的更深层次的理解——就像已故的物理学家一样理查德·费曼早在20世纪80年代初，当他让人们注意到这一想法时，他就希望它能成功。

2012年，当我们的团队开始研究概率比特(p-bits)时，我们寻求的正是这种理解。p-bits是一个用来描述量子计算机中基本信息单位量子位(qubit)的词。费曼认为这种概率计算机是他设想的量子计算机的对应物。所以，我们问自己:我们该如何建造一个?

存储比特的一种方法是使用具有两个可能磁化方向的磁铁。早期的计算机将这种方法用于所谓的磁芯存储器。然而，磁存储器的小型化是很困难的，因为磁铁变得越来越小就会变得不稳定。我们已经把这个看似错误的东西变成了一个功能，使用微小的不稳定磁铁来实现p位。2019年，在日本东北大学合作者的帮助下，我们造了一台概率计算机有八个这样的p位。

不过，我们真的不需要新的基于磁的p位来构建概率计算机。事实上，早些时候我们已经建立了概率计算机，它使用复杂的电子电路实现p位，从确定性位生成伪随机序列。富士通(Fujitsu)等公司已经在进行营销类似的概率计算机．但是使用不稳定的磁铁作为基本的构建块，可以用几个晶体管而不是几千个晶体管来实现p位，这使得构建更大的概率计算机成为可能。

在这样的计算机中，p位系统从初始状态发展到最终状态，通过许多可能的中间状态之一。计算机选择哪条路径完全取决于偶然性，每条路径都有一定的概率。把所有可能路径的概率加在一起，你就得到了到达给定最终状态的总概率。

量子计算机也做着类似的事情，但它使用量子位而不是p位。这意味着现在每条路径都有物理学家所说的概率振幅，它可以是负的。更准确地说，它是一个复数，这意味着它既有实部，也有虚部。

为了确定量子计算机中从初始状态到某个最终状态的总体概率，首先必须将两者之间所有可能路径的振幅相加，以得到最终状态的概率振幅。最终的振幅也是一个复数，其大小的平方得到实际概率，一个范围在0(从未发生)和1(总是发生)之间的数字。

简而言之，这就是概率计算机和量子计算机之间的本质区别。前者增加概率;后者增加了复杂的概率振幅。

这种差异比它看起来更重要。概率是小于1的正数。所以增加一条额外的路径只会增加最终的概率。但是概率振幅是复数。这意味着添加一个额外的路径可以抵消现有的路径。这就好像一条路径的概率是负的。

量子计算的力量直接来自这种否定概率的能力。著名的量子算法就是彼得·肖尔发明的对于整数因式分解或洛夫·格罗弗设计的为了在数据中进行搜索，请仔细编排可用的中间路径，以便导致错误输出的路径可以取消，而导致正确答案的路径可以建设性地添加。

但这种力量是有代价的。携带这些复杂振幅的量子位必须小心保护，不受环境影响，通常要求电子器件保持在低温下。相比之下，概率计算机可以用更简单的技术在室温下运行。但是这样的计算机缺乏负概率的魔力，使得它只对不需要路径消除的算法有效。

事实上，从理论上讲，使用概率比特来模拟量子计算机是可能的，但这可能不是一个实际的策略。尽管如此，在一些重要的问题上，概率计算机可以提供比确定性计算机显著的加速，这就是为什么我们对建造这种新型计算机如此感兴趣。

H怎么会这样概率计算机工作?这些原理与我们日常使用的数字系统的基本原理非常不同，甚至对大多数计算机工程专业的学生来说都很陌生。所以我们想对这个话题做一个温和的介绍，我们在这里以对话的形式呈现。

Salviati提供了作者的知识和观点。

Sagredo是聪明的门外汉，代表你，亲爱的读者。

辛普利西奥对眼前的话题不感兴趣，但提供了一些喜剧效果。插图:Serge Bloch

戏剧人物的名字是为了向伽利略致敬，他发明了这些名字在他的角色关于两大世界体系的对话在这本1632年出版的著名著作中，他提出了当时颇具争议的地球围绕太阳公转的观点。它们是:

热血,谁喜欢伽利略的萨尔维亚提提供了作者自己的知识和观点;

Sagredo,他像伽利略笔下的萨格雷多一样，扮演一个聪明的外行，亲爱的读者，这个角色就是代表你自己;

辛普利西欧,他不像伽利略笔下的辛普利西奥，并不代表信奉天主教会的观点，即宇宙围绕地球旋转。为了平起平坐，我们让他在这里客串一个角色，并提供一点喜剧效果。

伽利略将他的对话描述为在威尼斯萨格雷多家中进行的为期四天的一系列讨论。我们把时间设定在40分钟的飞机飞行中，这段时间足够让一些陌生人进行严肃的技术讨论。

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Sagredo:我看到你在看IEEE杂志——你是电气工程师吗?

热血:我确实是。我做计算机方面的研究。

Sagredo:有趣。我是做生意的，但我喜欢阅读最新的工程进展。你最近在做什么有趣的事情吗?

热血:天啊是的。我的同事和我一直在研究一种新的计算方法，我们对此感到非常兴奋。

Sagredo:真的吗?是什么?

热血:我很乐意描述一下，但很难解释。

Sagredo:着陆前我哪也不去。我喜欢这种东西。请多告诉我一些。

热血:好的。毫无疑问，你知道，我们所有的电子设备，比如智能手机，都是基于对每个输入都给出明确输出的电路:5和6;然后它可以把这些数相乘，得到30。嗯，我们已经建立了一个可以反向工作的电路:给它30，它会给你所有可能的输入，即5和6,15和2,10和3,30和1。

Sagredo:听起来很可爱，但这有什么用呢?

热血:它可能有很多用途，因为许多问题反过来要困难得多。例如，乘法比因式分解容易得多。毕竟，很多孩子可以把771和85相乘得到65,535。但是65,535能得到771和85这两个因数是多少呢?有多少人可以进一步给出所有其他的组合，比如257和255 ?

Sagredo:我明白了。但我听说现代数字计算机甚至可以在国际象棋等复杂游戏中击败大师。它们肯定也能做反题吧?

热血:的确，数字计算机可以在国际象棋中击败大师，甚至围棋游戏．不为人所知的是，它们在这样做的时候要消耗10兆瓦，而特级大师的大脑只有10到20兆瓦的能量。人们对使复杂计算更加节能和可持续发展很感兴趣。我们认为我们一直在研究的逆向计算电路就能做到这一点。

Sagredo:我想你无法向我这样的新手解释你的设计吧?

热血:对于您来说，理解一个真正的应用程序(比如优化)可能需要比我们更多的时间。但是如果我用一个简单的运算来解释数字电路是怎么做的，以及我们是怎么做的，你们就能理解了。

Sagredo:太好了。我们走吧!反正我在飞机上也睡不好。

热血:如果你睡着了，我不会生气的。(我的讲座最终对我的一些学生造成了这样的影响。)但我需要画几张图。[萨尔维亚蒂看到坐在他对面的人有一张没用过的鸡尾酒餐巾。对不起，我可以用一下你的餐巾吗?

辛普利西欧:请便。但我能要一份你的天空杂志回报呢?

热血:一言为定。[萨尔维亚蒂放下他的小桌板，开始在餐巾纸上画画。你看，在数字计算机中，一切都用位来表示:0和1，它们可以用具有两种状态的物理实体来表示，就像磁铁一样。

工程师们建造了复杂的电路来执行特定的操作。例如，我们可以构建一个执行一位二进制乘法的电路:输出位，我称之为C，是0或1，这取决于输入位a和B的乘积。

Sagredo:那么反向电路有什么不同之处呢?

热血:我们用既不是0也不是1的p位来构建电路。相反，它们会在这两个值之间快速波动。在50%的情况下p位为0，而在另外50%的情况下p位为1。

Sagredo:那有什么用?这些比特根本不携带任何信息。

热血:没错，除非我们能让他们彼此交流。你看，如果它们不说话，它们都在0和1之间独立波动。我们可以画一个直方图，像这样显示a B C所有组合的概率。

八种可能性中的每一种都是等概率的。

Sagredo:就像我说的，这完全没用。

热血:是的。但现在假设A、B和C可以交流，而且他们喜欢彼此倾听，做同样的事情。如果A变成1,B也会变成1,c也一样。如果A变成0,B和c也会变成0。现在，如果我们画一个直方图，我们只有两个峰值。

我们的小p位磁铁(或我们正在使用的任何东西)仍然保持波动，但它们一致波动。

Sagredo:这就像你有一个大磁铁在0和1之间切换，这看起来仍然不是很有用。

热血:这是真的。如果我们有一个非常强烈的积极的交流，我们得到的就是一个巨大的磁铁。为了使这有用，我们必须巧妙地设计通信，以便出现所需的一组峰值。

例如，如果我们想实现一位乘数，我们只希望八个峰值中的四个出现:对于{AB→C}，我们希望看到{00→0}，{01→0}，{10→0}，{11→1}。

如果我们能设计p位之间的通信来实现这一点，我们就有了我们谈论过的可逆电路。

Sagredo:这是怎么回事?

热血:这三块磁铁自由运行，在四种可能性之间穿梭:

{00 0}，{01 0}，{10 0}，{11 1}。

但如果我们强制将A和B磁体都锁定为0，磁体将被迫只有一个选项{00 0}，这意味着C的值将为0。

Sagredo:这就像正向模式下的乘数:0 x 0 = 0，对吧?

热血:是的。要在逆模式下操作，我们可以将C锁定为0。磁铁不能再向{11 1}移动了。因此，系统现在将在三个剩余选项之间浮动:{00 0}，{01 0}，{10 0}。这是乘数的反面。给定输出0，它告诉我们有三个可能的输入与它一致:0 x 0, 0 x 1，和1 x 0。

Sagredo:我明白了。但是你如何在你的p位之间设计这种神奇的交流呢?事实上，你怎么知道要设计什么样的通信呢?

热血:有一些成熟的方法可以用来确定需要什么样的通信来创建所需的一组峰值。

Sagredo:现在听起来你在逃避。我以为你说你已经弄明白了所以你才这么兴奋。

热血:实际上，这部分是众所周知的，至少在某些应用程序中是这样。公司正在使用普通硬件和随机数生成器来构建概率计算机，以模拟我一直在讨论的概率位翻转。但是这样做会浪费大量的能量，而且会在短时间内耗尽笔记本电脑的电池。我们的电路只需要三个晶体管和一个特殊的硬件元件就能实现同样的功能，这个硬件元件的内在物理特性会产生随机数。

Sagredo:那么你需要什么特殊元素来让它工作呢?

热血:我们使用了一种叫做磁隧道结的东西来建造一个简洁的设备，让p位可以轻松地通信。它的输出，因为我是工程师，所以我会叫它V_出波动。如果V_在，为零，V_出50%的概率是1,50%的概率是0。但是,如果V_在是正的,V_出首选0状态。如果V_在是负的,V_出倾向于1状态。如果是V_在如果正值或负值足够大，则可以将输出“锁定”到某个状态。

这就是每个p位通过输入电压监听其他p位的方式V_在．它通过输出电压说话V_出．例如，p位A可以通过将A的输出反馈到B的输入来与p位B通信。我们使用这种设备来构建可逆电路。到目前为止，我们还没有做任何惊天动地的事情:它们只是一个概念的证明。但我们已经证明，这样的设备可以用先进的技术来建造，有一天，我们可以建造巨大的电路来解决现实世界的问题。

Sagredo:我明白了。你能用适当复杂的p位电路解决什么样的现实问题?

热血:我们可以用它来解决优化问题，这些问题需要你找到使代价函数最小的配置。

Sagredo:你能用英语再说一遍吗?

热血:人们每天都在解决优化问题找出递送一组包裹的最佳顺序．在这种情况下，总距离驱动就是你想要最小化的代价函数。这样的问题可以映射到我们使用的基本架构上。每个问题都需要特定的连接模式。一旦我们弄清楚了模式并正确地连接起来，p位电路将以配置峰的形式给出答案。

Sagredo:好吧，你让我很感兴趣，但我们马上就要着陆了。我怎样才能更多地了解您的研究呢?

热血:我最近在杂志上发表了一篇关于这个话题的文章亚博真人yabo.at该研究的在线版本包括一个简单易懂的摘要，介绍了我们如何构建一个计算亲戚之间遗传亲缘程度的p位计算机。

本文以“关于两种主要计算系统的对话”为题发表在2021年4月的印刷版上。