麻省理工學(xué)院開(kāi)創(chuàng)以更高的速率生成概率比特（p比特）的新方法

當(dāng)今計(jì)算機(jī)的明確0和1可能會(huì)阻礙對(duì)混亂的現(xiàn)實(shí)世界問(wèn)題的準(zhǔn)確答案。一個(gè)新興的研究領(lǐng)域開(kāi)創(chuàng)了一種稱(chēng)為概率計(jì)算的計(jì)算方法?，F(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的一組研究人員開(kāi)創(chuàng)了一種以更高的速率生成概率比特（p比特）的新方法——通過(guò)光子學(xué)在空白空間中利用隨機(jī)量子振蕩。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)運(yùn)行的確定性方式不太適合處理許多物理過(guò)程和復(fù)雜系統(tǒng)中的不確定性和隨機(jī)性。概率計(jì)算有望提供一種更自然的方法來(lái)解決這類(lèi)問(wèn)題，方法是用行為隨機(jī)的組件構(gòu)建處理器。

該方法特別適用于具有許多可能解決方案的復(fù)雜優(yōu)化問(wèn)題，或在不確定性問(wèn)題存在的非常大和不完整的數(shù)據(jù)集上進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)。概率計(jì)算可以在氣象學(xué)和氣候模擬、垃圾郵件檢測(cè)和反恐軟件或下一代人工智能研究中產(chǎn)生新的影響力。

該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在可以每秒產(chǎn)生10000個(gè)p比特。下一步是p電路（p-circuit）嗎？

概率計(jì)算機(jī)的基本構(gòu)建塊被稱(chēng)為p比特，與經(jīng)典計(jì)算機(jī)中的比特等價(jià)，只是它們根據(jù)概率分布在0和1之間波動(dòng)。到目前為止，p位已經(jīng)由利用某些物理特性的隨機(jī)波動(dòng)的電子元件制成。

但在最新一期《科學(xué)》雜志（https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh4920）上發(fā)表的一篇新論文中，麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了有史以來(lái)第一個(gè)光子p位。斯坦福大學(xué)科學(xué)研究員、麻省理工學(xué)院客座科學(xué)家Charles Roques-Carmes說(shuō)，使用光子組件的吸引力在于它們運(yùn)行得更快，能效也高得多。他補(bǔ)充道：“主要的優(yōu)點(diǎn)是，原則上，你每秒可以生成很多隨機(jī)數(shù)。”

研究人員將激光注入一個(gè)光學(xué)參數(shù)振蕩器（OPO）腔體，使光以特定頻率振蕩。它本質(zhì)上是一對(duì)反射鏡，在它們之間來(lái)回反射光。然而，光并不是在物理真空中傳播的，就像外層空間是真空一樣。每次設(shè)備加電時(shí)，振蕩的相位都可能是兩種狀態(tài)中的其中一種。這種狀態(tài)取決于被稱(chēng)為“真空漲落”的量子現(xiàn)象，這種現(xiàn)象本質(zhì)上是隨機(jī)的。Roques Carmes說(shuō)：“原則上……它是在黑暗中。我們不發(fā)送任何光。所以這就是我們?cè)诠鈱W(xué)中所說(shuō)的真空狀態(tài)。平均來(lái)說(shuō)，空腔中沒(méi)有光子?！?/p>

當(dāng)激光被泵入腔內(nèi)時(shí)，光以特定的頻率振蕩。但每次設(shè)備通電時(shí)，振蕩的相位都可能呈現(xiàn)兩種狀態(tài)中的一種。它所處的狀態(tài)取決于被稱(chēng)為真空波動(dòng)的量子現(xiàn)象，而真空波動(dòng)本質(zhì)上是隨機(jī)的。這種量子效應(yīng)是原子光譜的Lamb shift以及分別在納米系統(tǒng)和分子中發(fā)現(xiàn)的Casimir力和van der Waals力等觀察良好的現(xiàn)象背后的原因。

OPO以前曾被用于生成隨機(jī)數(shù)，但麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)首次表明，它們可以對(duì)輸出的隨機(jī)性施加一定的控制。通過(guò)向振蕩器注入極其微弱的激光脈沖——如此微弱，平均每個(gè)脈沖只有不到一個(gè)光子——它們可以改變振蕩器進(jìn)入特定相位狀態(tài)的概率。

研究人員表示，這種影響但不是決定性地設(shè)定OPO相位狀態(tài)的能力使其成為生成p位的一種很有前途的方法。Roques Carmes說(shuō)：“我們可以保持使用量子物理學(xué)產(chǎn)生的隨機(jī)性，但在某種程度上，我們可以控制這些量子變量產(chǎn)生的概率分布?！?/p>

研究團(tuán)隊(duì)提到，他們能夠在給定的概率分布下每秒產(chǎn)生10000個(gè)p比特的信號(hào)。換句話說(shuō)，他們每秒可以產(chǎn)生10千比特，至少在目前的概率計(jì)算技術(shù)水平上，這似乎是構(gòu)建概率計(jì)算機(jī)所需的方式。

該團(tuán)隊(duì)使用一組大型桌面光學(xué)組件構(gòu)建了他們的設(shè)備，因此使用這些原理構(gòu)建一臺(tái)實(shí)用的概率計(jì)算機(jī)需要大量的工作。但麻省理工學(xué)院電子研究實(shí)驗(yàn)室的博士后Yannick Salamin表示，沒(méi)有根本的障礙?！拔覀兿胝故舅奈锢硇再|(zhì)，所以我們建造了這個(gè)大型系統(tǒng)，”他說(shuō)，“但如果你對(duì)擴(kuò)大規(guī)模和小型化等感興趣，這方面的專(zhuān)家可以做到?！?/p>

加州大學(xué)圣巴巴拉分校電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)助理教授Kerem ?amsari表示，麻省理工學(xué)院小組的工作“非常令人興奮”，但他希望看到這種概念驗(yàn)證能在更大的范圍內(nèi)建立起來(lái)，而不僅僅是單個(gè)p位。他說(shuō)：“很高興看到從單個(gè)p位到相關(guān)光子p電路的后續(xù)工作?！?/p>

巴塞羅那加泰羅尼亞技術(shù)大學(xué)光子科學(xué)研究所（ICFO）原子量子光學(xué)教授Morgan Mitchell表示，這項(xiàng)新工作“在經(jīng)典光學(xué)計(jì)算的背景下很有趣”，但他警告不要過(guò)多解讀最初的結(jié)果。很有意思的是，看看作者是否能夠量化p位的狀態(tài)在多大程度上是由于真空產(chǎn)生的隨機(jī)性，而不是其他明顯的隨機(jī)性來(lái)源，如環(huán)境噪聲或設(shè)備缺陷。

責(zé)任編輯：彭菁