美国麻省理工学院在概率计算方面取得新进展

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当今计算机的明确0和1可能会阻碍对混乱的现实世界问题的准确答案。一个新兴的研究领域开创了一种称为概率计算的计算方法。现在，麻省理工学院的一组研究人员开创了一种以更高的速率生成概率比特（p比特）的新方法——通过光子学在空白空间中利用随机量子振荡。

传统计算机运行的确定性方式不太适合处理许多物理过程和复杂系统中的不确定性和随机性。概率计算有望提供一种更自然的方法来解决这类问题，方法是用行为随机的组件构建处理器。

该方法特别适用于具有许多可能解决方案的复杂优化问题，或在不确定性问题存在的非常大和不完整的数据集上进行机器学习。概率计算可以在气象学和气候模拟、垃圾邮件检测和反恐软件或下一代人工智能研究中产生新的影响力。

该团队现在可以每秒产生10000个p比特。下一步是p电路（p-circuit）吗？

概率计算机的基本构建块被称为p比特，与经典计算机中的比特等价，只是它们根据概率分布在0和1之间波动。到目前为止，p位已经由利用某些物理特性的随机波动的电子元件制成。

但在最新一期《科学》杂志（https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh4920）上发表的一篇新论文中，麻省理工学院的团队创造了有史以来第一个光子p位。斯坦福大学科学研究员、麻省理工学院客座科学家Charles Roques-Carmes说，使用光子组件的吸引力在于它们运行得更快，能效也高得多。他补充道：“主要的优点是，原则上，你每秒可以生成很多随机数。”

研究人员将激光注入一个光学参数振荡器（OPO）腔体，使光以特定频率振荡。它本质上是一对反射镜，在它们之间来回反射光。然而，光并不是在物理真空中传播的，就像外层空间是真空一样。每次设备加电时，振荡的相位都可能是两种状态中的其中一种。这种状态取决于被称为“真空涨落”的量子现象，这种现象本质上是随机的。Roques Carmes说：“原则上……它是在黑暗中。我们不发送任何光。所以这就是我们在光学中所说的真空状态。平均来说，空腔中没有光子。”

当激光被泵入腔内时，光以特定的频率振荡。但每次设备通电时，振荡的相位都可能呈现两种状态中的一种。它所处的状态取决于被称为真空波动的量子现象，而真空波动本质上是随机的。这种量子效应是原子光谱的Lamb shift以及分别在纳米系统和分子中发现的Casimir力和van der Waals力等观察良好的现象背后的原因。

OPO以前曾被用于生成随机数，但麻省理工学院的团队首次表明，它们可以对输出的随机性施加一定的控制。通过向振荡器注入极其微弱的激光脉冲——如此微弱，平均每个脉冲只有不到一个光子——它们可以改变振荡器进入特定相位状态的概率。

研究人员表示，这种影响但不是决定性地设定OPO相位状态的能力使其成为生成p位的一种很有前途的方法。Roques Carmes说：“我们可以保持使用量子物理学产生的随机性，但在某种程度上，我们可以控制这些量子变量产生的概率分布。”

研究团队提到，他们能够在给定的概率分布下每秒产生10000个p比特的信号。换句话说，他们每秒可以产生10千比特，至少在目前的概率计算技术水平上，这似乎是构建概率计算机所需的方式。

该团队使用一组大型桌面光学组件构建了他们的设备，因此使用这些原理构建一台实用的概率计算机需要大量的工作。但麻省理工学院电子研究实验室的博士后Yannick Salamin表示，没有根本的障碍。“我们想展示它的物理性质，所以我们建造了这个大型系统，”他说，“但如果你对扩大规模和小型化等感兴趣，这方面的专家可以做到。”

加州大学圣巴巴拉分校电气工程和计算机科学助理教授Kerem Çamsari表示，麻省理工学院小组的工作“非常令人兴奋”，但他希望看到这种概念验证能在更大的范围内建立起来，而不仅仅是单个p位。他说：“很高兴看到从单个p位到相关光子p电路的后续工作。”

巴塞罗那加泰罗尼亚技术大学光子科学研究所（ICFO）原子量子光学教授Morgan Mitchell表示，这项新工作“在经典光学计算的背景下很有趣”，但他警告不要过多解读最初的结果。很有意思的是，看看作者是否能够量化p位的状态在多大程度上是由于真空产生的随机性，而不是其他明显的随机性来源，如环境噪声或设备缺陷。