最大的概率计算机把噪音转化为答案

概率计算机有朝一日可能会解决远超传统计算机的问题，同时避免目前困扰量子计算的众多硬件挑战。现在，科学家们公布他们已创建了迄今为止最大的概率计算机，拥有100万个“概率位”，一项新研究表明这为构建更大机器指明了方向。

概率位，或称 p 位，弥合了普通计算机所用位与量子计算机所基于的量子位之间的差距。位将数据表示为 0 或 1。由于量子物理的奇异性质，量子位可以同时处于 0、1 或两者之间的任何状态。相比之下，p 位在 0 与 1 之间以可调概率翻转。

在 0 与 1 之间来回翻转的位似乎毫无用处——事实上，在普通计算机中这会太嘈杂而无法使用。然而，当许多此类嘈杂位以相关方式协同工作时，它们可以用于解决一整类——随机问题——这些问题基于概率而非具体数值。例如，优化问题可以用来寻找交付一组包裹的最短路线。

还有其他类型的机器也被设计来解决随机问题，例如二次无约束二进制优化（QUBO）设备或 Ising 机器。然而，与这些设备不同，概率计算机并非为单一问题硬连线，而是可编程的通用机器，圣塔芭芭拉加州大学电气与计算机工程副教授 Kerem Çamsarı 说。

在 2019 年的《Nature》研究中，科学家开发了一个拥有八个 p 位的概率计算机。到 2023 年，研究人员已构建了一个拥有 7,200 个 p 位的机器。然而，这些设备都被限制在单个芯片上。将多个此类芯片网络化并不像普通 GPU 或 CPU 那样简单：该机器基于相关波动工作，而在一组导线之间同步这些波动并非易事。这引发了关于概率计算机是否能扩展到更大规模以及如果尝试扩展可能面临哪些问题的疑问。

(左) 一个拥有 100 万个概率位的计算机概念图，(右) 使用现场可编程门阵列（FPGA）实现该概念的硬件示意图——电子芯片可在制造后重新配置。Navid Anjum Aadit、Xiuqi Zhang 等。

Wiring up the largest probabilistic machine

现在，在一项新研究中，Çamsarı 及其团队已创建了迄今为止最大的概率计算机，拥有 100 万个 p 位，分布在多块芯片上。他们于 6 月 24 日在 ArXiv 预印本服务器上详细阐述了他们的发现。

这台新计算机运行在 18 个现场可编程门阵列（FPGA）上——电子芯片可在制造后重新配置。该设计中没有物理翻转位，但芯片的可编程特性允许高效的软件实现概率位。这些芯片被网络化为一台单一机器，总体上能够每秒进行超过一万亿次翻转。

科学家们面临的一个主要问题是他们的机器芯片需要多频繁地共享数据，以便像一台计算机一样运作，而不是仅仅是多个孤立的设备。令人惊讶的是，斯坦福大学电气工程博士后研究员 Navid Anjum Aadit 说：“我们的机器在没有全局锁步同步的情况下进行通信。”

研究人员发现了一个简单可预测的设计规则，说明在概率计算机中不同芯片需要多快地相互交换数据，才能使它们全部像一台机器一样运作。Çamsarı 说，在此阈值以下，概率计算机在速度和准确性之间面临权衡。

研究人员表示，这些新发现可能为从许多芯片构建任意大规模的概率计算机开辟道路，就像今天常见的任何标准计算机一样。他们补充说，这些发现同样适用于几乎任何硬件构建的概率计算机。

未来，研究人员计划探索使用专为概率计算设计的专用芯片构建大型概率计算机。例如，2019 年的 Nature 研究使用磁隧道结构建了一个概率计算机，Çamsarı 指出，磁隧道结在概率计算方面比标准芯片更节能。

Aadit 补充说：“将 CMOS 与高密度随机存取存储技术（如 MRAM）相结合的系统提供了最具吸引力的前进路径。”